(1)

ผลของชนดเสนใยและโครงสรางการทอตอความสามารถในการตานทานการเจาะทะล

Effects of Fiber Types and Weaving Structures on the Puncture Resistance

เจษฎาภรณ ชยชนะ Jetsadaporn Chaichana

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมวสด

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Materials Engineering Prince of Songkla University

2555 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

(2)

ชอวทยานพนธ ผลของชนดเสนใยและโครงสรางการทอตอความสามารถในการตานทาน การเจาะทะล ผเขยน นายเจษฎาภรณ ชยชนะ สาขาวชา วศวกรรมวสด อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก คณะกรรมการสอบ

…………………………………………… ..…………………………….ประธานกรรมการ ผชวยศาสตราจารย ดร.วรยะ ทองเรอง) (รองศาสตราจารย ดร.เจษฎา วรรณสนธ)

….……………………………………กรรมการ อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม (ผชวยศาสตราจารย ดร.วรยะ ทองเรอง)

……………………………………………. ………………………………….……กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.เจรญยทธ เดชวายกล) (ผชวยศาสตราจารย ดร.เจรญยทธ เดชวายกล)

……………………………………….กรรมการ (ดร. พลพฒน รวมเจรญ)

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมวสด

…………………………………………… (รองศาสตราจารย ดร.ธระพล ศรชนะ)

คณบดบณฑตวทยาลย

(3)

ขอรบรองวา ผลงานวจยนเปนผลมาจาการศกษาวจยของนกศกษาเอง และขอขอบคณผทมสวนเกยวของทกทานไว ณ ทน ลงชอ___________________________ (ผชวยศาสตราจารย ดร.วรยะ ทองเรอง) อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ลงชอ___________________________ (นายเจษฎาภรณ ชยชนะ) นกศกษา

(4)

ขาพเจาขอรบรองวา ผลงานวจยนไมเคยเปนสวนหนงในการอนมตปรญญาในระดบใดมากอน และไมไดถกใชในการยนขออนมตปรญญาในขณะน ลงชอ___________________________ (นายเจษฎาภรณ ชยชนะ) นกศกษา

(6)

ชอวทยานพนธ ผลของชนดเสนใยและโครงสรางการทอตอความสามารถในการตานทาน การเจาะทะล ผเขยน นายเจษฎาภรณ ชยชนะ สาขาวชา วศวกรรมวสด ปการศกษา 2555

บทคดยอ

งานวจยนมวตถประสงคเพอศกษาความสามารถตานทานการเจาะทะลของเสนใยทอเสรมแรงในอพอกซ โดยเสนใยถกน ามาทอตามโครงสรางการทอสามมตแบบ 3-D orthogonal weave และ 3-D angle-interlock weave ชนงานวสดผสมเตรยมขนโดยวธ Hand lay-up โดยท าการทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D 4833 จากนนเปรยบเทยบผลจากคาตานทานการเจาะทะลจ าเพาะและคาพลงงานดดซบจ าเพาะของชนทดสอบ พบวา โครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal weave มความสามารถในการตานทานการเจาะทะลไดสงกวาแบบ 3-D angle-interlock weave จงไดเลอกท าการศกษาในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal weave ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอเดยวชนดตางๆ พบวา เสนใยไนลอน แบบ twine กบเสนใยไนลอน แบบ monofilament มคาความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะและคาพลงงานดดซบจ าเพาะไดดทสด และศกษาความสามารถในการตานทานการเจาะทะลระหวางการทอผสานรวมของเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน แบบ twine และเสนใยไนลอน แบบ twine กบเสนใยเคฟลา โดยเปรยบเทยบกบเสนใยทอเดยวชนดตางๆ พบวา เสนใยทอเดยวมความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะและพลงงานดดซบจ าเพาะไดดกวาเสนใยทอผสานรวม

(6)

Thesis Title Effects of Fiber Types and Weaving Structures on the Puncture Resistance Author Jetsadaporn Chaichana Major Program Material Engineering Academic Year 2012

ABSTRACT

The objective of this work was to study the puncture resistance of woven fibers reinforced epoxy. Two weaving patterns of 3-D orthogonal and 3-D angle-interlock weaves were chosen. The composite samples were prepared by a typical hand lay-up process. The puncture resistance was tested following the ASTM D 4833 standard. The capabilities of the specific puncture load and the specific absorbed energy of the samples were compared. The 3-D orthogonal weave has a better puncture resistance than the 3-D angle-interlock weave. The 3-D orthogonal weave of twine and monofilament nylon composite has a better specific puncture load and the specific absorbed energy than the other fibers. In addition, a single woven fiber composite of nylon exhibits a specific puncture load and specific absorbed energy higher than the hybrid of E-glass/Nylon twine and Nylon twine/Kevlar woven composites.

(7)

กตตกรรมประกาศ

ขาพเจาขอขอบพระคณเปนอยางยงตออาจารยทปรกษาวทยานพนธทงสองทานคอ ผชวยศาสตราจารย ดร.วรยะ ทองเรอง และผชวยศาสตราจารย ดร. เจรญยทธ เดชวายกล ทกรณาใหค าปรกษา ค าแนะน า ขอเสนอแนะทมประโยชนในการท าวจยรวมถงการเขยนวทยานพนธฉบบน

ขอขอบพระคณ คณะกรรมการสอบวทยานพนธ ทกรณาใหค าแนะน าและตรวจแกไขวทยานพนธใหถกตองและสมบรณยงขน

ขอขอบคณ มหาวทยาลยสงขลานครนทรทใหเงนทนอดหนนการวจย ขอขอบคณ ภาควชาวศวกรรมเครองกลวศวกรรมและภาควชาวศวกรรม เหมองแร

และวสด คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร วทยาเขตหาดใหญ ทใหความอนเคราะหส าหรบสถานทและเครองมอในการท าวจย

ขอบคณ เพอนๆ พๆ และนองๆ ภาควชาวศวกรรมเครอง กล และภาควชาวศวกรรม เหมองแรและ วสดตลอดจนทกทานทมไดกลาวมาไว ณ ทนทมสวนชวยในการท าวจยและใหค าแนะน า วทยานพนธฉบบนจงส าเรจสมบรณดวยด

เจษฎาภรณ ชยชนะ

(8)

สารบญ หนา สารบญ (8) รายการตาราง (12) รายการภาพประกอบ (13) สญลกษณค ายอและตวยอ (17) 1 บทน า 1.1 บทน าตนเรอง 1 1.2 การตรวจเอกสาร 4 1.3 วตถประสงค 9 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 9 1.5 ขอบเขตการวจย 10 2 ทฤษฎ 2.1 เสนใย (Fiber) 11 2.1.1 ความหมายของเสนใย 11 2.1.2 ประเภทของเสนใย 11 2.2 วสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย 19 2.2.1 องคประกอบ 19 2.2.2 เทคนคการผลต 22 2.2.3 ขอดและขอเสยของวสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย หรอ FRP 23 2.3 การทอแบบ 2 มต 24 2.4 การทอแบบ 3 มต 26 2.4.1 การทอแบบ 3D orthogonal 27 2.4.2 การทอแบบ 3D angle-interlock 28 2.5 การเปรยบเทยบสมบตของการทอแบบ 2 มต และ 3 มต 29 2.5.1. สมบตความตานทานตอแรงดง 29 2.5.2. การทดสอบการกระแทกของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใย 30

(9)

สารบญ (ตอ) หนา 2.6 ทฤษฎการวเคราะหสมบตของวสดผสม 31 2.7 ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดเบองตน 33 2.8 แรงทไมไดอยในแนวแกนของวสดผสม 35 2.9 ความตานทานตอการเปลยนรปของลามเนต 37 2.10 วเคราะหสมบตของวสดผสมการทอแบบ 3 มต 40 2.11 คา Stiffness and Compliances Matrices ส าหรบในหนวยเซลลรปแบบ 3 มต 44 2.12 สมบตความสามารถในการตานทานการเจาะทะล 46 2.12.1 ความหนาแนนเชงพนท 46 2.12.2 ความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ 46 2.12.3 คาพลงงานดดซบจ าเพาะ 46 3 อปกรณและวธการวจย 3.1 วสดทใชในงานวจย 47 3.1.1 เสนใยแกว 47 3.1.2 เสนใยไนลอน ในงานวจยนมดวยกน 2 ชนด 47 3.1.3 เสนใยเคฟลา 47 3.2 สารเคม 48 3.2.1 อพอกซ เกรด 850 48 3.2.2 ฮารทอพอกซ เกรด 982 48 3.3 เครองมอส าหรบงานวจย 49 3.3.1 เครองจดมดเสนใย 49 3.3.2 เครองทอขนรปเสนใย 50 3.3.3 ชดทดสอบความตานการเจาะทะล 51 3.3.4 เครองทดสอบความแขงแรงวสด 53 3.4 ขนตอนและวธการวจย 53 3.5 การเตรยมชนทดสอบ 56

(10)

สารบญ (ตอ) หนา 3.6 การทดสอบสมบตของเสนใยและวสดผสมท ามาจากเสนใย 57 3.6.1 การทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสยใยเดยว 57 3.5.2 การทดสอบความตานทานแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใย 58 3.6.2 การทดสอบความตานทานตอการเจาะทะล 59 4 ผลการทดลองและวจารณผล 4.1 การทดสอบความตานทานการเจาะทะล 60 4.1.1 เปรยบเทยบความเรวการเจาะทะล 60 4.1.2 เปรยบเทยบโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal weave 61 และแบบ 3-D angle-interlock 4.1.3 การทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะลของวสดผสม 65 ท ามาจากเสนใยทอเดยวชนดตางๆ 4.1.4 การทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจาก 70 เสนใยทอผสานรวม 4.1.5 เปรยบเทยบผลการทดสอบตานทานการเจาะทะลของวสดผสม 75 ท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม 4.2 การทดสอบความตานทานตอแรงดง 77 4.3 การทดสอบความตานทานแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใย 77 4.4 การค านวณสมบตทางกลดวยทฤษฏลามเนชนของรปแบบการทอแบบ 3 มต 82 4.5 การเปรยบเทยบสมบตทางกลทไดจากการทดสอบกบการค านวณ 83

5 บทสรปและขอเสนอแนะ 5.1 บทสรป 84 5.2 ขอเสนอแนะ 86 บรรณานกรม 87

(11)

สารบญ (ตอ) หนา ภาคผนวก ภาคผนวก ก. ตารางคาสมบตทางกลตางๆ ทใชอางอง 91 ภาคผนวก ข. การค านวณสมบตทางกลดวยทฤษฏ 92 ภาคผนวก ค. ผลการทดสอบแรงดงของวสดผสม 100 ภาคผนวก ง. การทดสอบการยงดวยกระสนในระดบ 3A 105 1. การทดสอบการยงดวยกระสนจรง 105 2. จดเรยงชนเสนใยและชนเสนใยทขนรปเปนวสดผสม 106 3. ผลการทดสอบการยง 108 ประวตผเขยน 122

(12)

รายการตาราง ตารางท หนา 1.1 ขอเปรยบเทยบระหวาง Drop test กบ Puncture resistance test 3 3.1 แสดงคณสมบตของอพอกซ เกรด 850 48 3.2 แสดงคณสมบตของฮารทอพอกซ เกรด 982 48 3.3 คณสมบตเชงกลของอพอกซ เกรด 850 กบผสมฮารทอพอกซ เกรด 982 49 ทอตราสวน 100/100 โดยน าหนก 4.1 แสดงชนดของเสนใยและโครงสรางการทอทใชในการทดสอบ 61 ความสามารถตานทานการเจาะทะล 4.2 แสดงคาพลงงานดดซบของชนทดสอบทเกดในการทดสอบ 64 ความสามารถตานทานการเจาะทะลภายใตการรบแรงสงสด 4.3 แสดงคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะ คาความหนาแนนเชงพนท (Areal density) 64 และสมบตของชนทดสอบ 4.4 คาความหนาแนนเชงพนทและคาการรบแรงสงสดของชนทดสอบ 66 ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal 4.5 ปรมาณน าหนกของเสนใยทอและอพอกซของชนทดสอบขนาด 60x60 มลลเมตร 67 4.6 แสดงคาความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะของเสนใยทอเดยว 68 4.7 คาพลงงานดดซบและคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยทอเดยว 69 4.8 ชนดของเสนใยทมาทอผสานรวมในรปแบบโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal 71 4.9 คาความหนาแนนเชงพนทและคาการรบแรงสงสดของชนทดสอบ 72 4.10 คาความตานการเจาะทะลจ าเพาะเสนใยทอผสานรวม 73 4.11 คาพลงงานดดซบและคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยทอผสานรวม 74 4.12 ความหนาและน าหนกของชนทดสอบ 78 4.13 คาสมบตทางกลของเสนใยและอพอกซเรซน 82 4.14 แสดงคา E1 ,E2, 12, และ G12 ของวสดผสมเสนใยชนดตางๆ 83 4.15 คาสมบตทางกลทไดจากการค านวณทางทฤษฏ การทดสอบ 83 และ % คาความคลาดเคลอน

(13)

รายการภาพประกอบ

รปท หนา 1.1 หนาตดรปแบบการทอแบบ 3 มต ชนด 3D orthogonal 2 1.2 หนาตดรปแบบการทอแบบ 3 มต ชนด 3D angle-interlock 2 1.3 เครองวดแบบ Puncture resistance test 3 1.4 เครองวดแบบ Drop test 3 1.5 แสดงลกษณะโครงสรางการทอ 4 1.6 ผลการทดสอบการกระแทกของกระสนน าหนก 78 กรม ทความเรว 1000 เมตรตอวนาท 5 ของชนทดสอบการทอแบบ 3 มต และแบบ 2 มต 1.7 ตวอยางโครงสรางการทอแบบ 2 มต 6 1.8 ตวอยางโครงสรางการทอแบบ 3 มต 6 1.9 ลกษณะของกราฟความสมพนธระหวางแรงกบระยะทเปลยนแปลง 7 1.10 กราฟความสมพนธระหวางแรงกบระยะทเปลยนแปลงของเสนใยทอแบบ 3 มต (ซาย) 7 และแบบลามเนต 2 มต (ขวา) 1.11 แสดงความสมพนธของแรงกระแทกกบจ านวนครงทดสอบวสดผสมของเสนใย S-glass 8 1.12 แสดงความสมพนธของพลงงานทกระจายตวกบจ านวนครงทดสอบวสดผสม 9 ของเสนใย S-glass 2.1 โครงสรางโมเลกลของไนลอน 6,6 14 2.2 โครงสรางโมเลกลของไนลอน 6 14 2.3 โครงสรางโมเลกล MPIA 16 2.4 โครงสรางโมเลกล PPTA 17 2.5 โครงสรางโมเลกล TPC และ PDA 17 2.6 โครงสรางบางสวนของอพอกซ 20 2.7 โครงสรางของโพลเอมน 21 2.8 โครงสรางทางเคมของอพอกไซดเรซน (n คอจ านวนหนวยยอย อยระหวาง 0–25 หนวย) 21 2.9 เครองทอพนฐานส าหรบการทอแบบ 2 มต 25 2.10 รปแบบการทอแบบ 2 มต 25 2.11 แสดงการทอเสนใยแบบ 3 มต 26 2.12 รปแบบการทอแบบ 3 มต 27

(14)

รายการภาพประกอบ (ตอ) รปท หนา 2.14 รปแบบโครงสรางการทอแบบ 3D orthogonal 27 2.15 แสดงรปแบบโครงการทอแบบ 3D angle-interlock (a) ชนด layer to layer 28 (b) แสดงโครงสรางกระบวนการทอแบบ 3 มต 2.16 แสดงรปแบบโครงการทอแบบ 3D angle-interlock ชนด through-thickness 29 2.17 ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดของวสดผสมทอแบบ 2 มต และ 3 มต 30 2.18 ผลของพลงงานการกระแทกกบ (a) ความเคนของการดด และ (b) ความเคนของการอด 31 2.19 ทศทางของแนวแกนหลกของวสด 33 2.20 แผนลามนาบนแกน 1-2 ทหมนท ามม กบแกนอางอง X-Y 35 2.21 ลามเนตแบบสมมาตรและชนแตละชนของลามเนต 37 2.22 แรงลพธทกระท าบนแผนลามเนต 38 2.23 รปแบบหนวยเซลลส าหรบวสดผสมการทอแบบ 3D orthogonal 43 2.24 เสนใยตามแนวยาวและขวางในหนวยเซลล 43 2.25 เสนใยแนวแกน Z ในหนวยเซลล 44 3.1 เครองจดมดเสนใย 49 3.2 เครองทอขนรปเสนใย 50 3.3 หวเจาะชนทดสอบ 51 3.4 ฐานจบยดชนทดสอบ 52 3.5 เครองทดสอบความแขงแรงวสด 53 3.6 รปแบบการทอแบบ 3D orthogonal 54 3.7 รปแบบการทอแบบ 3D angle-interlock 54 3.8 แผนภาพกจกรรมหลกของงานวจย 55 3.9 การวางเสนใยทอในแนวตามยาว 56 3.10 การทาอพอกซดวยแปลง 56 3.11 ลกกลงส าหรบไลฟองอากาศ 56 3.12 การรดไลฟองดวยลกกลงเหลก 56 3.13 แผนฟลมไมลาร (Mila) ทมาประกบบนชนงานททาอพอกซเสรจแลว 57 3.14 ชนงานทอพอกซแขงตว (ขนเปนวสดผสมเสรจแลว) 57 3.15 การทดสอบความตานทานตานแรงดง 58

(15)

รายการภาพประกอบ (ตอ) รปท หนา 3.16 ขนาดชนงานทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D3039 58 3.17 ชดทดสอบ Puncture resistance test ทตดตงบนเครองทดสอบความแขงแรงวสด 59 4.1 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass 60 ทความเรว 0.005 และ 0.083 เมตรตอวนาท 4.2 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน 61 ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสด ในโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal 4.3 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน 62 ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสดในโครงสรางการทอแบบ 3-D angle-interlock 4.4 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน 63 ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสด ในโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal และแบบ 3-D angle-interlock 4.5 กราฟแสดงคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะของวสดผสมท าจากเสนใยไนลอนทง 2 แบบ 65 รปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal กบ 3-D angle-interlock 4.6 กราฟแสดงความสามารถการตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยชนดตางๆ 67 ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal จนชนทดสอบเกดการทะล 4.7 กราฟแสดงสมพนธของแรงตอความหนาแนนเชงพนททระยะยดตางๆ 68 4.8 กราฟแสดงพลงงานดดซบกบระยะยดของวสดผสมทท ามาจากเสนใยชนดตางๆ 69 4.9 ความสมพนธระหวางพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทาน 70 การเจาะทะลจ าเพาะของวสดผสมทท ามาจากเสนใยชนดตางๆ 4.10 กราฟแสดงความสามารถการตานทานการเจาะทะลของ 72 วสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม 4.11 กราฟแสดงพลงงานดดซบกบระยะยดของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม 73 4.12 ความสมพนธระหวางพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทานการเจาะทะล 74 ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม 4.13 กราฟแสดงการเปรยบเทยบผลการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสม 75 ท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม 4.14 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทาน 76 การเจาะทะลจ าเพาะของวสดผสมทท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม

(16)

รายการภาพประกอบ (ตอ) รปท หนา 4.15 ผลการทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสนใยชนดตางๆ 77 4.16 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยดของวสดผสมท ามาจากเสนใย 78 E-glass แบบชนเดยว 4.17 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาว 79 ของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยว 4.18 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยด 80 ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน 4.19 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาว 80 ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน 4.20 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยดแบบลามเนตรวม 81 ของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน 4.21 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาว 81 แบบลามเนตรวมของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน 5.1 ภายในของชนทดสอบวสดผสมเสนใยแกวทอทท าการแยกชนออก 86

1

บทท 1

บทน ำ 1.1 บทน ำตนเรอง

ในปจจบนนวสดผสมประเภทเสรมแรงดวยเสนใยทอ (Woven fabric composite) ไดมบทบาทมากขนในงานอตสาหกรรม เพอผลตเปนผลตภณฑตางๆ เชน ชนงานในอตสาหกรรมยานยนต ไดแก หลงคารถกระบะ เรอ เครองบนเลก ชนสวนรถแขง เปนตน ส าหรบงานดานโยธา ไดแก พนสงเคราะห (geosynthetics) แผนกนกระแทกในผนงคอนกรต เปนตน และใชเปนวสดกนกระสนอกดวย เนองจาก วสดผสมประเภทเสรมแรงดวยเสนใยผาทอ (Woven fabric composite) มขอดในแงของความทนทานตอการเปลยนรป (stiffness) การรบและกระจายแรง (stress and stress distribution) แลวยงมความเหนยว (toughness) ทด สวนเสรมแรงทเปนเสนใยผาทอทใชโดยทวไปเปนการทอสานในรปแบบ 2 มต (2-D woven fabric) เปนพนฐานจากการทอทงาย มหลายรปแบบ ไดแก weave, satin weave, twill เปนตน อยางไรกตามเปนทยอมรบวาวสดทมการทอสานขนรปแบบ 3 มต (3-D woven fabric) ใหสมบตทเหนอกวาการทอสานแบบ 2 มตมาก ตวอยางรปแบบการทอสานแบบ 3 มต เชน 3-D orthogonal weaves, 3-D braids และ angle-interlock weaves ซงปจจบนนบรษท 3TEX ไดพฒนาน ามาใช แตดวยขอจ ากดดานกรรมวธการทอทซบซอนจงไมมการใชงานกนมากนก แตจะเปนการใชงานเฉพาะอยางเทานนเชน วสดกนกระสน ใบพดกงหนลม วสดกนสะเกดระเบด ใบพดเครองบน เปนตน ดงนนวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอสานแบบ 3 มตทผลตขนเพอตองการความแขงแรง ดดซบพลงงานพงชนไดด ทนความลาไดด มน าหนกเบา เหมาะแกการใชท าแผนวสดซงเปนองคประกอบในเสอเกราะกนกระสนหรอวสดกนกระแทกอนๆได จากการขนรปวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใย (Fiber reinforced composites) นนสวนใหญจะมการทอขนรปเสนใยเบองตน (Preform) ส าหรบจบยดของเสนใยและสามารถกระจายแรงกระท าจากภายนอกไดดขน อยางไรกตามจากการศกษา พบวา การขนรปแบบ 3 มต ใหสมบตทางกลทดกวาการขนรปแบบ 2 มต ดงนนจงเนนศกษาการทอเสนใยเบองตนเปนแบบ 3 มตโดยจะท าการวเคราะห เปรยบเทยบรปแบบการทอแบบ 3 มต ทง 2 รปแบบ (ดงแสดงในรปท 1.1และ1.2) ซงมเสนใยในทศ z และมมดายทจบยดโครงสรางเพอปองกนการแยกชน โดยจะน าไปประยกตในการขนรปเปนวสดผสมตอไป

2

รปท 1.1 หนาตดรปแบบการทอแบบ 3 มต ชนด 3D orthogonal

รปท 1.2 หนาตดรปแบบการทอแบบ 3 มต ชนด 3D angle-interlock

การทดสอบวสดปองกน (Protective materials) ทส าคญนอกจากสมบตพนฐาน

เชน ความหนาแนน น าหนก ความแขงแรงแลวยงประกอบดวยการทดสอบทส าคญอกประการ คอ 1) ความตานทานการเจาะทะลผาน (Punctuation resistance test, ASTM D4833) ซงแสดงดงรปท 1.3 เปนการทดสอบความตานทานของวสดทความเรวต า ซงการทดสอบความตานทานการทะลผานสามารถประยกตใชเครองทดสอบความแขงแรงวสดไดโดยอาศยหลกการท านองเดยวกบการทดสอบการกระแทกโดยวธการท า Drop test ดงแสดงในรปท 1.4 เปนการวดพลงงานการตกกระทบในลกษณะปลอยแบบอสระแตในการทดสอบความตานทานการทะลผานจะใชวธการบงคบใหหวกระแทกพงดวยความเรวตามก าหนดและสามารถวดความเรวตกกระทบดวย Displacement transducer และขอเปรยบเทยบระหวาง Drop test กบ Puncture resistance test แสดงดงตารางท 1.1

X

z ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

x ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

z ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

3

Instron

Model 8872

Computer

Solid steel Rod

Sample

Ring Clamp

Load cell

รปท 1.3 เครองวดแบบ Puncture resistance test

รปท 1.4 เครองวดแบบ Drop test

ตารางท 1.1 ขอเปรยบเทยบระหวาง Drop test กบ Puncture resistance test

คณสมบต Drop test Puncture resistance test แรงหรอน าหนกในกระแทกและลกษณะขอมลทได

มคาคงทอยในรปของพลงงานกระแทก

ไมคงทอยในรปความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยด

ความเรวทใชในการทดลอง สงกวา Puncture resistance test (5 m/s)

ต ากวา Drop test (0.005-0.083 m/s)

Product ทใช Geotextile Geotextile, Geomember

4

งานวจยนเปนการวจยเพอศกษาใชวสดและเสนใยทจดหาได ไมมขอหามในการน าเขา ราคาไมแพง สามารน ามาพฒนาใชทดแทน โดยจะศกษาถงชนดของเสนใย ผลของโครงสรางการทอแบบ 3 มต ความหนาแนนเชงพนทหรอคามวลรวมตอหนงหนวยพนท และศกษาความสามารถในการตานทานการเจาะทะล 1.2 กำรตรวจเอกสำร

- Mohammed F. Aly, I.G.M. Goda, and Galal A. Hassan (2010) การสบคนการทดลองทางลกษณะพลวตของคานลามเนตคอมโพสตเปนสวนประกอบโครงสรางพนฐานทใชในงานหลากหลายทางโครงสรางทางวศวกรรมและอตสาหกรรมโยธา องคประกอบทส าคญในการวเคราะหแบบไดนามกของคานเชงประกอบคอ ค านวณจากความถธรรมชาตของคานและรปราง ซงโครงสรางคานคอมโพสตมกจะท างานทซบซอนและมการเคลอนทแบบไดนามก และใหใชงานไดส าหรบพฤตกรรมการสนสะเทอนของคานคอมโพสต ดวยเหตนคานบางผลตโดยใชกระบวนการท าวสดผสมดวยวธทามอ lay-up เรซนบน เสนใยแกวทอชนด E – glass ทมคาน าหนกตอพนท เทากบ 360 g/m2 จะใชเปนตวเสรมแรงในรปแบบของผาทอแบบสองมตทมทศทางทตงฉากกน คอ ทศทางตามยาว (Warp) ทศทางตามขวาง (fill or weft) น าเสนใยในทศทางทงสองมาทอเขาดวยกน โดยใชเสนใยตามขวางเปนทศทางหลกและแทรกดวยเสนใยตามยาว ซงถกก าหนดดวยลวดลายตามรปแบบการทอ ในรปท 1.5 แสดงระนาบของการทอทประกอบดวยเสนใยตามขวางและตามยาวและโดยมเรซนสงเคราะหเปนสวนเมตรกซส าหรบวสดคอมโพสตของคาน

รปท 1.5 แสดงลกษณะโครงสรางการทอ

5

- Yehia A, Bahei-El-Din และ Zikry (2003) ไดศกษาการเสยรปจากการกระแทกในวสดผสมทขนรปแบบการทอ 2 และ 3 มต พบวา วสดผสมดงกลาวเกดความเสยหายอนเนองมาจากผลของการกระแทกท าใหเกดการทะลผานสวนวสดผสมทขนรปแบบ 3 มต แตไมพบการแยกชน (delaminate) ของเสนใยและสามารถปองกนการทะลผานดกวาแบบ 2 มต คาความเครยดทเพมขนอยางมนยส าคญเนองจากความเสยหายจากแรงเฉอนทมผลกระทบตอชนทดสอบคอมโพสตทอแบบ 2 มต มากกวากวาชนทดสอบคอมโพสตทอแบบ 3 มต ดงรปท 1.6 ความเรวในการกระแทกท 1000 m/s ท าใหเกดความเสยหายของเสนใยในการขยายตวหรอยดตว โดยคาเปอรเซนตความเครยดจนขาดชนทดสอบทอแบบ 3 มต เทากบ 1.7 % และการทอแบบ 2 มต เทากบ 1.4 % ซงรปแบบ 3 มต มคาอตราความเครยดมากกวา 2 มต อยประมาณ 21.43 %

รปท 1.6 ผลการทดสอบการกระแทกของกระสนน าหนก 78 กรม ทความเรว 1000 เมตรตอ

วนาท ของชนทดสอบการทอแบบ 3 มต และแบบ 2 มต

- D. Brown, M. Morgan และ R. McIlhagger (2003) ไดศกษารปแบบโครงสรางการทอระหวางวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอแบบ 2 มต และ แบบ 3 มต โดยการก าหนดมตของโครงสรางจากความสามารถในการสงผานภาระ (load) ในสองหรอสามทศทาง ตวอยางโครงสรางการทอแบบ 2 มต ไดแก Orthogonal plain, twill และ satin weaver แสดงในรปท 1.7 ซงโครงสรางการทอแบบ 2 มตมความสามารถในการสงผานภาระไดพรอมกนทง 2 ระนาบทตงฉากกนในแนวแกน X และแกน Y หรอตามยาวและตามขวาง สวนในโครงสรางการทอแบบ 3 มต ไดแก angle interlock และ orthogonal interlock ดงแสดงในรปท 1.8 รปแบบการทอเหลาน สามารถสงผานแรงในทศทาง แกน X แกน Y และ แกน Z ซง orthogonal interlock เปนระบบการทอกรณพเศษทตางจาก การทอแบบ angle interlock โดยการทอสานเชอมโยงเสนใยกนในแนวแกน Z ซงตงฉากกบเสนใยตามยาว

6

รปท 1.7 ตวอยางโครงสรางการทอแบบ 2 มต

รปท 1.8 ตวอยางโครงสรางการทอแบบ 3 มต

- J. A. Soden, G. Weissenbach และ B. J. Hill (1999) ศกษาความเสยหายของชนทดสอบรปตว T ทขนเปนวสดผสมรปแบบ 3มต เปรยบเทยบกบวสดผสมทขนรปแบบ 2มต ลามเนต ภายใตการรบแรงสงสดโดยผลการทดสอบไดแสดงในรปกราฟความสมพนธระหวางแรงกบระยะทเปลยนแปลง ซงแรงทท าใหเกดรอยเสยหายเรมตน (initial failure load) และแรงสงสด (peak load) ทท าใหชนทดสอบเสยหายหลงจากรอยเสยหายแรก ดงแสดงในรปท 1.9

7

รปท 1.9 ลกษณะของกราฟความสมพนธระหวางแรงกบระยะทเปลยนแปลง

แรงทท าใหเกดรอยเสยหายเรมตนคอ สวนทเรซนทเปนเมตรกซถกท าลาย และแรงสงสดทท าใหเกดความเสยหายหลงจากนน คอ สวนทใหเสนใยทอถกท าลาย ซงในการทดสอบชนทอสอบเปนเสนใยทอแบบ 3 มต และชนทดสอบแบบลามเนต 2 มต พบวา เปอรเซนตอตราสวนระหวางแรงทท าใหเกดรอยเสยหายเรมตนกบแรงสงสด แบบเสนใยทอแบบ 3 มต มคาอยประมาณ 106–264 % สวนลามเนต 2 มต มคาประมาณ 23 % ดงนน วสดผสมเสนใยทอแบบ 3 มต สามารถรบแรงไดมากกวาแบบลามเนต 2 มต ดงแสดงในรปท 1.10

รปท 1.10 กราฟความสมพนธระหวางแรงกบระยะทเปลยนแปลงของเสนใยทอแบบ 3 มต (ซาย)

และแบบลามเนต 2 มต (ขวา)

8

- J.N. Baucom, M.A. Zikry และ A.M. Rajendran (2006) ไดศกษาถงผลของรปแบบการทอของเสนใยแกว ชนด S-glass ตอความเสยหายจากการทดสอบการกระแทกทความเรวต าแบบ drop-weight โดยไดเปรยบเทยบวสดผสมทงทมการขนรปแบบ 2 มต และ 3 มต วสดในแตละแบบถกทดสอบซ า ๆ ทความเรวการกระแทก 4.0 m/s จนกวาชนทดสอบทะล ชนทดสอบ 2 มต ลามเนต ถกทดสอบซ า ๆ ในแตละชน จ านวน 11, 14 และ 23 ครง จนชนทดสอบทะล สวนทดสอบ 3 มต ถกทดสอบซ า ๆ ในแตละชน จ านวน 23, 29 และ 39 ครง โดยแรงสงสด ส าหรบการทดสอบการกระแทกทงหมด ไดแสดงในรปท 1.11 ชนทดสอบ 2 มต ลามเนต รบแรงสงสดในชวงเรมตนในชวงประมาณ 14 – 16 kN ในขณะทแรงสงสดเรมตนของชนทดสอบแบบ 3 มต อยในชวงประมาณ 12 - 14 kN และแรงสงสดส าหรบทกตวอยางมคาประมาณ 18 kN

รปท 1.11 แสดงความสมพนธของแรงกระแทกกบจ านวนครงทดสอบวสดผสมของเสนใย S-glass

ความเรวทวดไดและความเรงถกน ามาใชเพอหาคาพลงงานดดซบจากการกระแทกแตละครง ในรปท 1.12 ส าหรบ 2 มต ลามเนตการดดซบพลงงานทปะทะเรมตนประมาณ 21 – 24 จล และแบบ 3 มต มการดดซบพลงงานเรมตนอยางสม าเสมอท 25 จล แสดงใหเหนวา แบบ 3D ทนทานตอความเสยหายไดมากกวาแบบ 2 มต ลามเนต การกระจายพลงงานของการกระแทกทงหมดส าหรบตวอยางทเจาะทะล วสดผสมแบบ 3 มต พลงงานดดซบในการกระแทกครงแรก มคาเฉลย 777 จล พลงงานดดซบมคาเปน 2 เทาของแผน ลามเนต แบบ 2 มต ซงมคาเฉลยของการกระจายพลงงานดดซบเปน 393 จล พบวาความเสยหายจากการกระจายตวของรองรอยความเสยหายทเกดขนในวสดผสมขนรปแบบ 3 มต การกระจายตวแรงและการดดซบพลงงาน

9

มากกวาแบบ 2 มต สรปไดวารปแบบ 3 มต สามารถตานทานการทะลผานไดดกวาการขนรปแบบ 2 มต

รปท 1.12 แสดงความสมพนธของพลงงานทกระจายตวกบจ านวนครงทดสอบวสดผสมของเสนใย S-glass

1.3 วตถประสงคของโครงกำรวจย 1.3.1 เพอน าเสนใยทจดหาได ไมมขอหามในการน าเขา มาประยกตใชในการตานทานการเจาะทะล 1.3.2 เพอศกษาชนดเสนใย โครงสรางการทอ ทมความสามารถในตานทานการเจาะทะลไดด 1.3.3 ขนรปวสดผสม ทดสอบและเปรยบเทยบผลความสามารถในการตานทานการเจาะทะลกบคามวลรวมตอหนงหนวยพนท (Areal Density) 1.4 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ 1.4.1 ท าใหทราบถงผลของโครงสรางการทอและชนดของเสนใยทมตอความ สามารถในการตานทานการเจาะทะลไดดทสด 1.4.2 เผยแพรงานทางวชาการ 1 เรอง 1.4.3 ไดวสดทตานทานการเจาะทะลไดดทสดเพอน าไปสการพฒนาเปนแผนกนกระสน

10

1.4.4 วสดทไดสามารถน าไปใชประโยชนไดในดานการพฒนาวสดส าหรบการผลตเปนเสอเกราะกระสน 1.5 ขอบเขตของโครงกำรวจย

โครงการวจยนจะเนนถงการน าเสนใยและวสดทมในประเทศโดยมขอบเขตของการวจยดงน 1.5.1 เสนใยทเลอกใชในงานวจยนม 3 ชนดคอ เสนใยแกว เสนใยไนลอน และเสนใยเคฟลา (Kevlar brand fiber) 1.5.2 รปแบบของการทอขนรปทศกษาม 2 ชนดคอ 3D angle-interlock และ 3D orthogonal 1.5.3 การขนรปวสดผสมจะใชเรซนเพยงชนดเดยวคอ อพอกซ 1.5.4 ศกษาขอมลการทดสอบมาตรฐาน อปกรณ เครองทดสอบทจ าเปนตอง ใชในการทดสอบวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอ 15.5 ศกษาทฤษฎการค านวณเกยวกบคณสมบตของวสดผสม เพอน ามาเปรยบเทยบและวเคราะหผล

11

บทท 2

ทฤษฎ

2.1 เสนใย (Fiber) [วทยาศาสตรเสนใย, วระศกด อดมเดชา. 2542]

2.1.1 ความหมายของเสนใย เสนใย หมายถง วสดหรอสารใดๆทงทเกดจากธรรมชาตและมนษยสรางขน ทม

อตราสวนระหวางความยาวตอเสนผานศนยกลางเทากบหรอมากกวา 100 สามารถขนรปเปนผาได และตองเปนองคประกอบทเลกทสดของผา ไมสามารถแยกยอยในเชงกลไดอก ซงมมตตามความยาวมากกวามตตามภาคตดขวาง และลกษณะเปนเสนยาวเรยว องคประกอบของเซลล สวนใหญ เปนเซลลโลส เกดจากการรวมตวของกลโคส (glucose) ของพอลแซคคาไรด (polysaccharide) หรอโมเลกลเปนพอลเมอรทยาว โมเลกลของเซลลโลสเรยงตวกนในผนงเซลลของพชเปนหนวยเสนใยขนาดเลกมาก เกดการเกาะจบตวกนเปนเสนใยขน

2.1.2 ประเภทของเสนใย โดยทวไปสามารถจ าแนกประเภทของเสนใยไดหลายแบบขนอยกบลกษณะการ

แบง ในทนเราแบงตามแหลงก าเนดของเสนใยซงจะแบงไดเปนสามประเภทใหญๆ คอ เสนใยธรรมชาต เสนใยสงเคราะห และเสนใยกงสงเคราะห ในกลมของเสนใยธรรมชาตกยงแบงยอยไดอกเปนเสนใยทมาจากพช สตว และแร สวนเสนใยสงเคราะห เปนเสนใยทประดษฐจากวสดอนๆ ทมนษยสรางขน

1. เสนใยจากธรรมชาต ไดแก เสนใยทมอยในธรรมชาต แบงไดเปน

1) เสนใยจากพช ไดแก เสนใยจากเซลลโลส เปนเสนใยทประกอบดวยเซลลโลส ซงไดจากสวนตางๆ ของพช เชน ปาน ปอ ลนน ใยสบปะรด ใยมะพราว ฝาย นน ศรนารายณ เปนตน เซลลโลสเปน โฮโมพอลเมอร ประกอบดวยโมเลกลของกลโคสจ านวนมาก มโครงสรางเปนกงกานสาขา

2) เสนใยจากสตว ไดแก เสนใยโปรตน เชน ขนสตว ไหม ผม เลบ เขา ใยไหม เปนตน เสนใยเหลาน มสมบต คอ เมอเปยกน า ความเหนยวและความแขงแรงจะลดลงถาสมผสแสงแดดปนนานๆ จะสลายตว

12

3) เสนใยจากสนแร เชน แรใยหน (asbestos) ทนตอการกดกรอนของสารเคม ทนไฟ ไมน าไฟฟา

2. เสนใยสงเคราะห เปนเสนใยทมนษยสงเคราะหขนจากสารอนนทรยหรอ

สารอนทรยใชทดแทนเสนใยจากธรรมชาต ตวอยางเชน 1) เสนใยพอลเอสเตอร เชน เทโทรอน ใชบรรจในหมอน เพราะมความฟ

ยดหยนไมเปนอนตรายตอผวหนง ส าหรบดาครอน (Dacron) เปนเสนใยสงเคราะหพวก พอลเอส-เทอรอกชนดหนง ซงเรยกอกชอหนงวา Mylar มประโยชนท าเสนใยท าเชอกและฟลม

2) เสนใยอะครลก เชน ส าหรบใชในการท าเสอผา ผานวม ผาขนแกะเทยม รมชายหาด หลงคากนแดด ผามาน พรม เปนตน

3) เซลลโลสแอซเตด เปนพอลเมอรทเตรยมไดจากการใชเซลลโลสท าปฏกรยากบกรดอะซตกเขมขน โดยมกรดซลฟรกเปนตวเรงปฏกรยา การใชประโยชนจากเซลลโลสอะซเตด เชน ผลตเปนเสนใยอารแนล 60 ผลตเปนแผนพลาสตกทใชท าแผงสวตชและหมสายไฟ

4) เสนใยแกว (Glass fiber) หลกการผลตเสนใยแกวเพอใชในสงทอไดถกพฒนามาเขาสกระบวนการผลตในเชงพาณชยเมอป 2481 โดยบรษท โอเวนคอนนง ไฟเบอรกลาส (Owens-Corning Fiberglas, Crop.) ในประเทศสหรฐอเมรกา และใชชอทางการคาของผลตภณฑสงทอทท าขนวา Fiber glass

การผลตเสนดายใยแกวมวธการใหญๆ อย 2 วธ โดยทงสองวธนเรม

จากการผสมวตถดบใหไดตามสตรทตองการ ประกอบดวย ทรายแกว หนปน หนฟนมา กรดบอรก

และสารเตมแตงอนๆ จากนนจงท าการหลอมเหลวภายในเตาทอณหภมสงประมาณ 1,370 °C ได

ออกมาเปนลกแกวขนาดเลกมเสนผานศนยกลางประมาณ 5/8 นว (15 มลลเมตร) ท าการควบคม

คณภาพของลกแกวทได เพอก าจดสงเจอปนทไมตองการออก หลงจากนนน าลกแกวมาหลอมใหม

เปนน าแกวแลวปนเปนเสนใยตอไป สวนอกวธหนง เปนการผลตโดยตรงเมอหลอมวตถดบในเตา

ไฟฟาแลวท าการควบคมคณภาพในเวลาเดยวกนโดยไมตองท าเปนลกแกวกอน น าแกวทไดจากการ

หลอมสงตอเขากระบวนการรดเปนเสนใยไดเลย

กระบวนการผลตเสนใยยาวตอเนองท าการควบคมใหน าแกวไหลผาน

ลงสหวรดททนอณหภมไดสง โดยมากท าจากโลหะผสม เสนใยยาวตอเนองถกดงออกจากหวรด

13 โดยมพฒนาการน าการมวนเกบความเรวสง ซงสงกวาความเรวของใยแกวทถกอดออกจากหวรด

ประมาณ 2 ไมล หรอ 3 กโลเมตร ตอนาท จงท าใหไดเสนใยขนาดเลกลงกอนการแขงตว จากนนจง

น าไปตเกลยวเปนดายควบ

ขอด

- ทนทานตอแรงดง

- ทนอณหภมสง

- ทนทานตอแสงแดด กนน า รา และแมลง ตลอดจนดางและกรด

ยกเวน กรดไฮโดรฟลโอรกและกรดฟอสฟอรกทรอน

ขอเสย

- เสนใยมความแขงกระดาง ท าใหยากตอการดดงอขามเสนดายซงกน

และกนในโครงสรางของผนผา

- ไมทนทานตองการขดถ เนองจากเสนใยเปราะไดงาย

- เสนใยแกวมการยดหยนต าทสดเมอเปรยบเทยบกบเสนใยชนดอน

5) เสนใยไนลอน (Nylon fiber) เปนเสนใยชนดแรกทมนษยคนพบโดย

บงเอญ โดยบรษท ดปองท ในประเทศสหรฐอเมรกา นกวทยาศาสตรชอ Dr. Wallace H. Carothers

และทมงานใหความสนใจกบงานวจยพนฐานเพอสรางความเขาใจถงโครงสรางโมเลกลทตอกน

เปนลกโซยาวและน าหนกโมเลกลสงเรยกวาพอลเมอรเหมอนทเกดในโครงสรางของเสนใย

ธรรมชาต เชน ฝาย หรอไหม ในป 2471 ผชวยของ Dr. Carothers ไดคนพบ พอลเมอรชนดหนงทม

ลกษณะขนเหลวใส สามารถยดดงออกเปนเสนยาวและเมอเยนตวลงกยงสามารถยดใหยาวขนไดอก

จนน าไปสความสนใจไปพฒนาการสงเคราะหพอลเอไมด (Polyamides) และในป 2478 (ค.ศ.

1935) กไดมการสงเคราะหพอลเมอรขนมาจากการท าปฏกรยาของ hexamethylene diamine และ

adipic acid ไดพอลเมอรทเรยกวา 6,6 ซงมาจากจ านวนอะตอมของคารบอนในโมเลกล ตอมาจงได

มการเผยแพรออกสสาธารณะในป 2481 (ค.ศ. 1938) โดยเรยกพอลเมอรทไดวาไนลอน นบวาเปน

ความส าเรจอยางสงสดในวงการสงทอ ปจจบนมการผลตไนลอนชนดอนนอกเหนอจากไนลอน

6,6 คอ ไนลอน 6 และไนลอน 12 เปนตน การผลตไนลอน 6 ทใชวตถดบคอ คาโปรแลกแทม

ผลตภณฑทผลตเปนชนดเสนใยยาว

14

กระการบวนการผลต

ในป 2516 (ค.ศ. 1973) FTC ไดก าหนดนยามของไนลอนเอาไว

วา “ไนลอนเปนเสนใยประดษฐทเนอเสนใยเปนโซโมเลกลยาวของพอลเอไมดสงเคราะหซงม

ปรมาณของแขนเอไมด ถกแทนทโดยตรงดวยวงแหวนอะโรแมตกนอยกวา 85 % ของปรมาณ

ทงหมด”

เสนใยไนลอนทคนเคยในวงการสงทอและใชกนกวางขวางคอ

ไนลอน 6,6 และไนลอน 6 ทมความคลายกนมาก โครงสรางทางเคมเปนลกษณะองคประกอบของ

พอลไมด (Polyamide) ประกอบดวยธาตหลกคอ C, H, O และ N มความตางทการจดเรยงตวทาง

เคมซงสงผลใหมสมบตตางกนไปบาง

ไนลอน 6,6 ไดจากการสง เคราะหระหวาง hexamethylene

diamine และ adipic acid ท าใหมโครงสรางทางเคม ดงน

รปท 2.1 โครงสรางโมเลกลของไนลอน 6,6

ในขณะทไนลอน 6 ไดจากการน าวตถดบคอคาโปรแลกแทมมา

ท าการพอลเมอไรซ ไดโครงสรางทางเคม คอ

15

รปท 2.2 โครงสรางโมเลกลของไนลอน 6

กระบวนการผลตไนลอน 6,6 นนเรมจากการใชวตถดบ เชน ถาน

หน หรอน ามนปโตรเลยม เพอสงเคราะหได hexamethylene diamine และ adipic acid จากนนจงน า

สารเคมทงสองมาท าปฏกรยากน ซงสารเคมทงสองตวน ตวหนงคอ ดาง และอกตวหนงเปนกรด

ดงนนผลของปฏกรกยาท าใหไดออกมาเปนเกลอไนลอน ตอมาท าการพอลเมอไรซเกลอได ณ

อณหภมสงโดยปราศจากอากาศ ในหมอความดน โดยสกดน าออก ไดพอลเมอรเปนเสนคลาย

รบบนแลวตดออกเปนชนเลกๆ เปนเกลดหรออาจเปนเมด ซงจะท าหนาทเปนวตถดบในการน าไป

หลอมเพอขนรปเปนเสนใยตอไป

ในกรณของการผลตไนลอน 6 ซงเรมจากถานหนมขนตอนทาง

เคมทสลบซบซอนหลายขนตอนดวยกน โดยเรมจาก cyclohexane-oxide ซงเปลยนสภาพไปเปน

คาโปรแลกแทมเมอถกน าไปท าปฏกรยากบกรดก ามะถน ปฏกรยาการเกดพอลเมอรของ

คาโปรแลกแทมเรมจากการใหความรอนทละนอย โดยการใชไอน ากระท าใหหมอทท าจากเหลกไร

สนม ซงภายในมการผสมสารเคมดงกลาวเกดเปนพอลเมอร ซงมการควบคมความรอนและความ

ดนท าใหพอลเมอรทไดมความเสถยรในรปของซเปอรพอลเมอร ขนตอนตอไปน าพอลเมอรเหลว

มาเปลยนรปใหเปนเมดเชนเดยวกบการผลตไนลอน 6,6 หลงจากนนน าเมดพอลเมอรทไดไปขนรป

เปนเสนใย โดยการขนรปเปนเสนใยในการผลตทวไปใชอยสองระบบคอ รดปนเปนเสนดาย (grid

spinning) และฉดอดปนเปนเสนดาย (extruder spinning)

สมบตทางกายภาพ

1. ความคงทน ไนลอนเปนเสนใยทมความคงทนสง ความทนแรงดง ณ

จดขาดของเสนใยมคา 3-6 gpd สามารถทนทานตอการขดถไดด ยดหยนสง

2. การทนตอความรอน ไนลอนเมอไดรบความรอนสงจะหลอมตว ขอ

ควรระวงคอ ไนลอน 6 มจดหลอมเหลวท 216 C ซงต ากวาไนลอน 6,6 ซงหลอมเหลวท 250 C

3. การตดไฟ เปนสมบตทเปนเอกลกษณของเสนใยไนลอน เมอไนลอน

เขาสเปลวไฟจะเกดการหลอมและหดตวออกจากเปลวไฟ จากนนจงเกดการตดไฟ ท าใหเสนใย

หลอมเหลวและเกดเปนหยด มควนขาวออกมา

4. ความถวงจ าเพาะ 1.14 ถอไดวาคอนขางเบา

16

6) เสนใยอะรามด (Aramid fiber) เปนค ายอมาจาก aromatic polyamide ท

แตกตางจากเสนใยไนลอนซงเปนเพยง polyamide เทานน ความแตกตางทางเคมทชดเจนจนน าไปส

การตงชอเสนใยใหมนเกดขนในป 2517 ทงๆ ทเสนใยอะรามดชนดแรกทบรษทดปองทผลตออกส

ตลาดภายใตชอการคาวา Nomex เกดขนตงแตป 2510 แตในขณะนนยงถอวาเปนไนลอนอย ตอมา

จงไดพฒนาจนสามารถผลต Kevlar ทมความแขงแรงสงกวาเสนใยเหลกถง 5 เทา โดยคดทน าหนก

เทากน

ซงนยามของอะรามดไดก าหนดไวชดเจน คอ เปนเสนใยทประกอบดวย

พอลเอไมดสงเคราะหเปนลกโซโมเลกลยาวทมอยางนอยทสด 85% ของแขนเอไมด

ถกจบโดยตรงกบวงแหวนอะโรแมตกทงสองขาง

Nomex เปนผลตภณฑตวแรกเนนการทนตออณหภมสงใชในการท า

เสอผานกบนอวกาศ ในขณะท Kevlar เนนในดานความแขงแรงเปนหลก จงใชท าเปนเสอเกราะกน

กระสน สายพาน วสดประเภทวสดเสรมแรง เปนตน

กระบวนการผลต

Nomex มโครงสรางทางเคม เปนเมตาอะรามด (meta aramid) คอ

poly (m-phenylrne isophthalamide) หรอ MPIA มหนวยซ าดงน

รปท 2.3โครงสรางโมเลกล MPIA

พอลเมอรทเกดจากการท าปฏกรยาระหวาง aromatic diamines

กบ aromatic diacid cholorides หลกการทส าคญเพอใหไดพอลเมอรทมน าหนกโมเลกลสงเพยงพอ

คอ การท า solution polymerization ทอณหภมต าระหวาง m-phenylrne diamine กบ isophthaloyl

chloride โดยใชระบบตวท าละลายทเหมาะสม ในเชงการคาคอ dimethyl acetamide (DMA)

ปฏกรยาการเกดพอลเมอรท าทอณหภมต ากวา 0 C ใน DMA ทมแคลเซยมออกไซด ท าหนาทเปน

ตวรบกรดอยดวย ดปองทไดพฒนากระบวนการปนเสนใยแบบแหงขนดวยการใชสารละลาย

17 ประกอบดวย 19% MPIA, 70% DMA, 9% CaCl2 และ 2% H2O จากนนท าการลางเสนใยดวยน าจน

เหลอประมาณ 70% DMA, 15% CaCl2, และ 100-150% โดยเทยบจากน าหนกแหงของพอลเมอร

โดยกระบวนการลางและยดดงตอมาด าเนนไปพรอมๆกน เพอใหไดอตราการยดเปน 4 ตอ 1 ในน า

ทอณหภม 90 C และควบคมใหการลาง และการยดกระท าแบบสวนกระแสซงกนและกน จน

สดทายปรมาณของแคลเซยมคลอไรดเหลอเพยง 0.1% และปรมาณ DMA เหลอเพยง 0.5% หลงจาก

นนจงเขาสกระบวนการตกแตงส าเรจ ท าใหเกดการหยกงอในตอบไอน าทอณหภมประมาณ 80 C

ผลตภณฑทไดมลกษณะพองตวเนองจากน า มการจดเรยงตวและตกผลกทประมาณ 165 C ในไอ

น า

ในกรณของการผลต Kevlar โครงสรางทางเคมตางออกไปจาก

Nomex คอ เปนพาราอะรามด (para aramid) ในรปของ poly (p-phenylene terephthalamide) หรอ

PPTA มหนวยซ า คอ

รปท 2.4 โครงสรางโมเลกล PPTA

คนพบโดยบรษทดปองทในป 2514 (ค.ศ.1971) ดวยการสงเคราะห โดยอาศยปฏกรยาควบแนนจาก

acid chloride ของ terephthaloyl chloride (TPC) กบ p-phenyleme diamine (PDA) แสดงดงรป

ท 2.5 ปฏกรยาเกยวของกบการละลายของ PDA ในสารละลาย hexamethyl phosphoramide

/N-methylpyrollidone (HMPA/NMP)

TPC

PDA

18

รปท 2.5 โครงสรางโมเลกล TPC และ PDA

หลงจากท าใหเยนลงแลวเตมผงของ TPC เขาไป ท าการกวนให

ทวแลวลางดวยน าก าจดสารละลายและกรดไฮโดรคลอรก ตอมาไดพบวา HMPA เปนสารกอมะเรง

จงมการศกษาวจยท าใหสามารถใชเพยง NMP ละลายดวยแคลเซยมคลอไรดกสามารถท าใหเกด

น าหนกโมเลกลสงเพยงพอเชนกน ปญหาทส าคญทสดของกระบวนการสงเคราะหนคอการพยายาม

รกษาใหสารทท าปฏกรยากนและสารละลายสะอาด และแหงสนทกอนการสงเคราะห สารเจอปน

โดยเฉพาะอยางยงน ากอใหเกดผลเสยตอน าหนกโมเลกล หากควบคมไมดกจะไมสามารถ

สงเคราะห PPTA ทมน าหนกโมเลกลสงพอทจะท าใหเสนใยมความแขงแรงดตามตองการ

กระบวนการผลตจะได Kevlar หลายชนดไดแก Kevlar, Kevlar 29, Kevlar 49 ซงเสนใย Kevlar มก

เนนการใชงานเพออตสาหกรรม กรณของ Kevlar เปนเสนใยยาวทใชการท าผาใบยางรถยนต ทอ

และสายพาน Kevlar 29 กเชนเดยวกนอยในรปของเสนใยยาวใชท าสายเคเบล รมชชพ และเทป

เสรมแรง สวน Kevlar 49 ในรปของเสนใยยาว และเสนใยสนทท าเปนแผน การใชงานสวนใหญจะ

ใชกนกวางขวางในดานของพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย งานดานอวกาศ ล าเรอและงานบางสวนท

เกยวของกบการกอสราง

สมบตทางกายภาพ

1. ความแขงแรง ในการใชงานดานสงทอเครองนมหมมงไปท Nomex

เปนหลก ซงเปนเสนใยทมความแขงแรงดมาก ดกวาเสนใยประดษฐอนๆ ไมวาจะเปนไนลอน

เรยอนชนดแขงแรงสง หรอพอลเอสเทอร ความแขงแรงอาจสงถง 21.5 gpd และทนตอการสกหรอ

แมใชงานไปนานๆ กยงทนตอการฉกขาดและการขดถ

2. สภาพยดหยน คอนขางสง

3. การคนตวจากแรงอด สามารถทนไดด โดยเฉพาะอยางยง Nomex ท

ผลตเปนผารกษารปทรงไดด แมเสนใยดมลกษณะกระดางบาง แตกมความสามารถในการทง

เหมาะสมพอทจะน ามาท าเครองนงหม เชน ชดดบเพลง เปนตน

4. ความรอน เสนใยอะรามดเปนเสนใยททนความรอนไดสง และโดยตว

เสนใยเองมสมบตในการน าความรอนไมด

19

5. การตดไฟ ไมหลอมหรอหยด เมอถกเปลวไฟอณหภมทสงเกน 371 C

อาจท าใหเสนใยเสอมสภาพเกดการหดเปนเถาถาน แตเมอเอาเปลวไฟออกเสนใยดบไดดวยตวเอง

6. ความถวงจ าเพาะ 1.38 บางชนดเปน 1.44

3. เสนใยกงสงเคราะห เปนเสนใยทไดจากการน าสารจากธรรมชาต มาปรบปรงโครงสรางใหเหมาะกบการใชงาน เชน การน าเซลลโลสจากพชมาท าปฏกรยากบสารเคมบางชนด เสนใยกงสงเคราะห น ามาใชประโยชนไดมากกวาเสนใยธรรมชาต ตวอยางเสนใยกงสงเคราะห เชน วสคอสเรยอง แบมเบอรกเรยอง เปนตน

2.2 วสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย (Fiber Reinforced Polymer, FRP)

[WUZZlive, woottikorn Kaewchusir, http://wuzzlive.com/blog/?p=478]

วสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย หรอ FRP จดเปนวสดผสม (Composites)

ประเภท Polymer-Matrix composites เปนการน าคณสมบตทเดนของวสด 2 ประเภทมาใชเพอ

ประโยชนทวสดทางธรรมชาตโดยทวไปไมสามารถท าได เชน รบแรงอดและแรงดงในเวลาเดยว

หรอพรอมกน โดยทวสดมน าหนกเบา ซงสามารถเลอกเสนใยเพราะมคณสมบตรบแรงดงไดสง มา

ผสมกบพอลเมอรทสามารถรบแรงอดและแรงดดไดด และสามารถปรบปรงความแขงของ

พอลเมอรใหสามารถใชงานไดทดเทยมโลหะนน อาจท าไดโดยการปรบปรงโครงสรางทางเคมของ

สายโซพอลเมอร และพฒนาไปสพอลเมอรชนดใหม รจกกนในนามของ พลาสตกเชงวศวกรรม

(Engineering Plastics) ซงนยมเรยกกนยอๆ วา ENPLAS การเสรมแรงดวยวสดทมความแขงและ

เหนยว ซงนยมใชวสดจ าพวกเสนใย (Fibers) เชน ใยแกว ใยคารบอน และใยอาระมด เปนตน สวน

วสดประสานยดเกาะ (Polymer-Matrix) เชน อพอกซเรซน พอลเอสเตอรเรซน เปนตน สมรรถนะ

ของวสดคอมโพสตจะขนอยกบวสดทใชการจดเรยงตวของสวนรบก าลงหลกของวสด (เสนใย

เสรมแรง) และอนตรกรยาระหวางเสนใยกบเมตรกซ (Interaction between Fibers and Matrix)

2.2.1 องคประกอบ พอลเมอรเสรมแรงโดยทวไปประกอบดวยสวนผสมหลก 3 สวนดงน สวนท 1 สารเสรมแรง (Reinforcement หรอ Filler) ซงโดยทวไปแบงตามรปรางลกษณะไดเปน 3 แบบ - เสนใย (Fibers) ตวอยางเชน ใยแกว ใยคารบอน และใยอาระมด เปนตน

20 - ผง (Power) ตวอยางเชน แคลเซยมคารบอเนต ดนขาว (Kaolin) เปนตน - เกลด (Flake หรอ Whisker) ตวอยางเชน ไมกา เปนตน สวนท 2 พอลเมอรหรอเรซน (Polymer หรอ Resins) ซงโดยทวไปแบงเปน 2 ประเภท ใหญๆ คอ - เทอรโมพลาสตก (Thermoplastics) เปนพอลเมอรหรอเรซนทสามารถ

น ามาท าใหหลอมและขนรปเปนผลตภณฑรปแบบตางๆได โดยจะหลอมทอณหภมสง และแขงตว

เปนรปผลตภณฑตามแบบพมพเมออณหภมลดลง ตวอยางเชน โพลเอทลน (Polyethylene, PE)

โพลโพรพลน (Polypropylene, PP) โพลสไตรน (Polystyrene, PS) และไนลอน (Nylon) เปนตน

- เทอรโมเซท (Thermoset) เปนพอลเมอรหรอเรซนทไมสามารถละลาย

หรอหลอมเหลวไดอก เนองจากแขงตวโดยปฏกรยาทางเคม ตวอยางพอลเมอรประเภทนไดแก โพล

เอสเทอรไมอมตว (Unsaturated Polyester) ฟนอลก (Phenolic) อพอกซ (Epoxy) และเมลามน

(Melamine) เปนตน ส าหรบงานวจยนการขนรปวสดผสมจะใชเรซนเพยงชนดเดยวคอ อพอกซ

โดยอพอกซเปนพอลเมอรทมขนาดความยาวตาง ๆ กน เรยงตวเปนเสนตรงหรอรางแหขนอยกบจ านวนและลกษณะการเรยงตวทซ ากนของหนวยยอย (monomer) ตวอยางโครงสรางบางสวนของอพอกซ ดงรปท 2.6 และเสนขดแสดงต าแหนงของหนวยยอยทอาจมาตอเพมเตมขนอยกบปฏกรยาเคมในการผลตเปนดงน [http://www.pharm.su.ac.th/cheminilife/cms/index.php/ outdoor/epoxy.html]

รปท 2.6 โครงสรางบางสวนของอพอกซ

คณสมบตทางกายภาพ : วสดทท าจากอพอกซจดเปน thermo- setting polymer (หรอ thermoset) หรอพอลเมอรทผานการท าใหมความเหนยวหรอความแขงและไมคนรป โดยการใชความรอน (ทอณหภมสงกวา 200 ºC หรอ 392 ºF) การท าปฏกรยาเคม หรอการ

21 ใชรงส ในกระบวนการผลตจะถกเปลยนสถานะจากของเหลวหรอของแขงทถกกดใหเปนแผนบางได จากนนจงใชแบบหลอ (mold) ในการขนรปใหเปนวสดทตองการหรอใชเปนกาวหรอสารยดตด ส าหรบกาวอพอกซอาจเตรยมขนเองจาก two-part epoxy ซงเปนพอลเมอรทมขนาดไมใหญมากนกและอยในรปของเหลวบรรจในหลอด 2 หลอด กอนใชใหน ามาผสมเขาดวยกน จะไดกาวอพอกซทมลกษณะขน หรอบางชนดเปนคลายดนน ามน 2 ทอนทเมอผสมกนและอยตวแลวจะมความแขงเหมอนเหลก ไมมการหดตว สามารถตด เจาะ กลง หรอเลอยได กาวอพอกซแตละชนดหาซอไดตามรานคาวสดกอสราง

การผลต : อพอกซ จดเปนโคพอลเมอรทไดจากการท าปฏกรยาระหวาง อพอกไซดเรซน (เรซนเปนสารสงเคราะหทมลกษณะเปนของแขง ใส) กบสารเพมความแขง (harderner) ชนดโพลเอมน (โพลเอมน เปนสารอนทรยทมหมอะมโน หรอ –NH2 อยในโมเลกล) แสดงดงรปท 2.7 ตวอยางของอพอกไซดเรซน เชน ผลผลตจากปฏกรยาเคมระหวางอพคลอโรไฮดรน (epichlorohydrin) และบสฟนอล-เอ (bisphenol-A) สวนตวอยางของสารเพมความแขงชนดโพลเอมน เชน ไทรเอทลนเททรามน (triethylenetetramine, TETA) โดยหมอพอกไซดของอพอกไซด เรซนจะท าปฏกรยากบหมเอมนของ TETA ท าใหเกดเปนโครงสรางคลายรางแหทมสภาพแขงเกรง (rigid) แสดงดงรปท 2.8

รปท 2.7 โครงสรางของโพลเอมน

รปท 2.8 โครงสรางทางเคมของอพอกไซดเรซน (n คอจ านวนหนวยยอย อยระหวาง 0–25 หนวย)

22 การใชงาน : อพอกซไดรบการน ามาใชในงานหลายประเภท เชน วสดกอสราง วสดผสม (composites) สทาอาคาร เคลอบพนอาคาร ชนสวนเครองมออตสาหกรรม สวนประกอบในสารกงตวน าและวงจรไอซ สวนประกอบในการผลต fiber-reinforced plastic ซงเปนวสดผสมระหวางอพอกซกบไฟเบอรทใชส าหรบอตสาหกรรมยานยนต อากาศยาน หรอใชเปนกาวหรอสารยดตด (adhesives) คณสมบตทดของอพอกซ คอ คณสมบตเชงกลทด ความสามารถในการประสานและยดตด ความคงทนตอสารเคมและความรอน การเปนฉนวนไฟฟา ซงคณสมบตเหลานท าใหอพอกซถกน าไปใชในงานอเลกทรอนกสดวย สวนท 3 สารเตมแตง (Additives) เปนสารทเตมลงไปในพอลเมอรเสรมแรง เพอเพมสสนและสมบตพเศษตามตองการ ตวอยางสารเตมแตงทใชแพรหลายใน FRP ไดแก UV Stabilizer, Colorant, Low Profile Agent และ Thyrotrophic Agent เปนตน 2.2.2 เทคนคการผลต ส าหรบเทคนคการผลต FRP นนมมากมายหลายเทคนค แตละเทคนคมขอดแตกตางกนไป ดงรายละเอยดตอไปน 1. การผลตแบบทามอ (Hand Lay-up) เปนเทคนคการผลตทงาย ลงทนนอย และนยมใชมากทสด สามารถผลตชนงานไดโดยไมจ ากดขนาด แตขอเสยคอ จ าเปนตองใชผผลตทมความช านาญ จงไดผลตภณฑทมคณภาพสม าเสมอ 2. การผลตแบบใชเครองพน (Spray-Ray up) เปนเทคนคทพฒนาขนมาจากการผลตโดยทามอ สามารถผลตชนงานไดต งแตจ านวนนอยๆ จนกระทงมากถง 1000 ชน สามารถใชผลตชนงานทมรปรางสลบซบซอนกวาการผลตโดยทามอ และสามารถท าใหเปนระบบอตโนมต โดยใชหนยนตหรอควบคมโดยนวเมตก 3. การผลตโดยวธการพน (Filament Winding) เปนเทคนคทใชผลตชนงานทกลวงภายใน เชน ทอหรอถง ชนงานทตองรบแรงอดสงขณะใชงาน การผลตโดยวธการพนนใชเสนใยยาว เคลอบดวยเรซนพนลงบนแมพมพ ซงมรปรางทรงกลมหรอทรงกระบอก โดยสามารถเรยงเสนใยไปในทศทางใดทศทางหนง เพอใหรบแรงสงในทศทางนน แลวน าไปอบเพอใหเรซนแขงตวเตมท จะไดผลตภณฑทมความแขงแรงตอน าหนกสง และมปรมาณเสนใยในเนอเรซนสงสดดวย 4. การผลตโดยใชแมแบบอด (Matched Molding) เปนเทคนคทมจ านวน

การผลตสงไดชนงานทมขนาดเปนมาตรฐานเดยวกน สามารถท าไดดวยวธอตโนมตการออกแบบ

23 ชนงานท าไดดวยความคลองตวจงเปนวธทเหมาะทสดส าหรบการผลตชนงานจ านวนมาก

นอกจากนยงสามารถใชรวมกบชนโลหะตางๆ (Metal insert) เชน ชนสวนของนอตและสกร เขาไป

ในชนงานขณะท าการผลต ท าใหประหยดเวลาในการประกอบและชนงานมความสวยงาม สสน

และผวของชนงานจะมความเรยบมนทงสองดาน เนองจากใชแมแบบโลหะซงมผวเรยบมน

5. การผลตแบบถงอดอากาศ (Pressure-Bag Molding) เปนเทคนคการ

ผลตทคลายการใชมอทา กลาวคอ วางแผนเสนใยพรอมเรซนลงแมแบบ วางถงยางทบลงไปกดแผน

ยดตอนบน ลงหางจากแมแบบพอสมควรอดอากาศเขาไปในถงยาง เพอใหถงยางขยายตวอดใยแกว

ผสมเรซนใหแนบสนทกบแมแบบตอนลาง ทงไวใหเรซนแขงตว จงปลอยอากาศออกจากถง ยก

แผนยดตอนบนขน แลวถอดชนงานออกจะไดชนงานทผวเรยบสองดาน

2.2.3 ขอดและขอเสยของวสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย หรอ FRP ขอด 1. มความแขงแรง สามารถรบแรงไดสง และทนทานตอการขดขด 2. ทนตอการกดกรอนของสารเคมสง 3. ทนตอสภาพอากาศและอณหภม ทเปลยนแปลง 4. น าหนกเบา 5. มความเหนยวสง และมความทนทานตอการลาสง 6. มความงายในการขนรป ขอเสย 1. คาใชจายคอนขางสง 2. ยงมความคบและการหดตว 3. ขอจ ากดในการทนตอสภาพแวดลอม บางอยาง เชน การเสยก าลงการยดเกาะจาก ความชนสง และการดดซม 4. ความไมเสถยรทางพลศาสตรเนองจากน าหนกเบา 5. ไมสามารถทนตออณหภมทสงตงระดบประมาณ 70-80 C ขนไปจะท าใหเมตรกซสญเสยก าลง 6. ความเขากนไดของวสดพอลเมอรเมตรกซกบวสดอน เชน ผวคอนกรตตองมวสดประสาน

24 2.3 การทอแบบ 2 มต [L.Tong, A.P. Mouritz and M.K. Bannister,2002]

การทอผาเปนกระบวนการผลตผนผาทอทใชในงานดานอตสาหกรรมดานสงทอ โดยการผลตผนผาทอสวนใหญเปนแบบชนเดยว เชน ผาสกหลาด ผนเสนใยคารบอน และเสนใยอนๆทปจจบนใชเปนวสดเสรมแรงส าหรบองคประกอบของการคอมโพสต (Fiber composite) อยางไรกตามอปกรณทใชในการทอผาสามารถผลตในรปแบบทซบซอน เชน การขนรปในแบบ 3 มต ซงในการทอแบบ 3 มต จะตองมความรความเขาใจในรปแบบการทอ 2 มต ทเปนแบบพนฐานในการทอเปนอยางดกอน

การทอแบบ 2 มต เปนหลกการเบองตนในการผลตผนเสนใยโดยการขดกนของชดเสนใยดายสองชด คอ กลมเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวาง (Warp และ Weft) โดยรปแบบเครองทอพนฐานแสดงในรปท 2.9 เสนใยตามยาวจะถกสงผานเขาเครองทอจากแหลงจดเกบหรอแหลงก าเนดทมการรวบรวมเสนใยไวหลายเสนมารวมกนเปนมวนใหญ (Warp beams) เสนใยตามยาวทออกจากมวนจะผานการจดต าแหนงของเสนใยการจดวางเปนชดเสนใยและแตละเสนจะถกดงใหตง แลวสอดผานตวยกลวดลายสลบเสนใย (Lifting shafts) โดยกลไกการยกเสนใยขนอยกบการควบคมของเครองทอวาตองการรปแบบหรอลวดลายแบบใด จดทส าคญส าหรบกลไกในการยกเสนใย คอ ระยะหางของชองวางระหวางเสนใย (Shed) ซงเปนชองวางเกดจากการยกลายของเสนใยเพอสงผานเสนใยตามขวางเขาไปท ามมทกทอกบเสนใยตามยาว (90◦) โดยเสนใยตามยาวจะมความยาวตอเนองและถกควบคมดวยการยกสลบเสนใย แลวจะตองถกทอเชอมโยงกนดวยเสนใยตามขวาง ดงนนจะไดรปแบบและลวดลายเปนผนเสนใยและสงทอทขนอยกบการยกสลบของเสนใย ดงแสดงในรปท 2.10 คณสมบตของสงทอจะขนอยกบชนดของเสนใย ปรมาณเสนใยทใช และรปแบบการผลต อยางเชน การทอแบบ 2 มต กบการทอแบบ 3 มต ปรมาณเสนใยทใชตางกน ชดมดเสนใยในการยกสลบตางกน รปแบบหรอลวดลายทซบซอนไมเหมอนกน เปนตน ซงสงส าคญตอการยกเสนใยทตางกน คอ การแทรกเสนใยผานชองวางของเสนใยตามขวาง โดยการใชกระสวย (Shuttle) สงผานเสนใย เปนเทคนคดงเดมการยกลายและการสงผานเสนใยตามขวางมาเชอมโยงกบเสนใยตามยาว ทเกดขนในกระบวนการทอมความเรวในการผลตทชา แตมความไดเปรยบของโครงสรางขอบผาเปนแบบปด โดยเทคนคสมยใหมใชการทอของเครองจกรและกระสวยมขนาดเลกมความเรวในการเคลอนทสง ท าใหไดผนผาทมความกวางมากขน ซงมความกวางประมาณ 1.8-2.5 เมตร อตราเรวในการทออยท 1 เมตรตอนาท

25

รปท 2.9 เครองทอพนฐานส าหรบการทอแบบ 2 มต [L.Tong et al, 2002]

รปท 2.10 รปแบบการทอแบบ 2 มต [L.Tong et al, 2002]

26

2.4 การทอแบบ 3 มต [L.Tong, A.P. Mouritz and M.K. Bannister,2002]

การทอแบบ 3 มตมความแตกตางกบการทอแบบ 2 มต การทอแบบ 3 มตมจ านวนชนของเสนใยทมากกวา ซงจ านวนชนเสนใยมความจ าเปนตอความหนาของผาทอและปรมาณเสนใยทปอนเขาเครองทอ ขนตอนการควบคมเสนใยโดยทวไปในการทอแบบ 3 มต แหลงจดเกบหรอแหลงก าเนดเสนใยทมขนาดใหญ ซงเสนใยแตละเสนจะมการจดเกบแยกกน โดยระบบการจดเกบชดเสนใยไมใชรวมกน วสดสงทอหรอเสนใยใชในการทอแบบ 3 มต สวนใหญจะผลตจากเสนใยทมประสทธภาพสง เชน เสนใยคารบอน เสนใยแกว และเสนใยอะรามค เปนตน การออกแบบและรปแบบการยกเสนใยทมลกษณะ 3 มต จะตองออกแบบการจดวางเสนใยตามยาวและตามขวาง โดยวางเสนใยใหตรงและมความตอเนอง เพอใหขนรปไดงายแลวเครองทอสามารถท างานไดอยางมประสทธภาพ จะตองใหสนใยตามยาวแยกออกมามวนไวบนแกนทสามารถใชยกขนและกดลงได แลวมทศทางเดยวกบความหนาของชนเสนใยทอ ดงแสดงในรปท 2.11

รปท 2.11 แสดงการทอเสนใยแบบ 3 มต

รปแบบการทอของเสนใย 3 มต ทสามารถผลตไดในปจจบน อธบายโดย

Yamamoto และคณะ (1995) ดงตวอยางแสดงในรปท 2.12 รปแบบการทอแบบ 3 มต มความแตกตางเนองจากกระบวนการผลตและรปแบบการขนรป ซงมพารามเตอรเบองตนทเหมอนกบการทอแบบ 2 มต เชน ความตงภายในและการเสยดสของเสนใยทถกทอกน แตในการทอแบบ 3 มต มความสามารถในการผลตทเสนใยท ามม 0 และ 90 องศา ภายในระนาบผนผาททอ ซงในการทอของเครองทอมขอจ ากดในการขนรปส าหรบการท ามมของเสนใย จะสงผลท าใหเกดแรงเฉอนและแรงบด จงสงผลตอคณสมบตตอผนผาทอ

27

รปท 2.12 รปแบบการทอแบบ 3 มต

2.4.1 การทอแบบ 3D orthogonal รปแบบโครงสรางการทอแบบ 3D orthogonal ประกอบดวยเสนใย 3 ชด ไดแก เสนใยตามยาว (warp) เสนใยตามขวาง (weft or fill) และเสนใยในแนวแกน Z ซงเสนใยเหลานมาถกทอเขาดวยกน โดยทเสนใยตามยาวจะถกวางตวอยในทศทางตามความยาวของผน เสนใยทอและมเสนใยอนๆมาวางตวตงฉากซงกนและกน ในสวนของเสนใยตามขวางจะวางแทรกระหวางเสนใยตามยาวแลวจะเรยงซอนกนสลบเปนคๆ ตามความหนาของรปแบบโครงสรางการทอ โดยมเสนใยในแกน Z ททอตงฉากกบเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวาง ซงจะชวยในการจบยดมดเสนใยอนๆ เพอใหเกดความสมบรณของโครงสราง ดงแสดงในรปท 2.14

รปท 2.14 รปแบบโครงสรางการทอแบบ 3D orthogonal [ K.W. Sharp and A.E. Bogdanovich, 2008]

28 2.4.2 การทอแบบ 3D angle-interlock รปแบบโครงสรางการทอแบบ 3D angle-interlock แบงออกไดเปน 2 ชนด คอ 1) layer to layer และ 2) through-thickness โดยชนด layer to layer ประกอบดวยเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวางทจะเรยงตวแบบทแยงมมทสลบขนลงกน (±bias) และเสนใยตามยาวจะแทรกตวอยระหวางเสนใยตามขวาง โดยทเสนใยตามขวางจะทอสลบขนลงไปตามทศทางของความหนาและจะถกถกทอแบบซกแซกยดกบเสนใยตามยาวไปตามทศทางความหนาของโครงสรางการทอ ดงแสดงในรปท 2.15 สวนชนด through-thickness ประกอบดวยเสนใย 3 ชด แบบเดยวกบรปแบบโครงสรางการทอ 3D orthogonal แตเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวางจะทอสลบขนลงหรอทแยงมมซงกนและกนไปตามทศทางของความหนา โดยมเสนใยในแนวแกน Z ทอตงฉากกบเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวาง ซงตางจากชนด layer to layer ทเสนใยตามยาวจะถกลอคดวยเสนใยตามขวาง ส าหรบชนด through-thickness เสนใยตามยาวและเสนใยตามขวางจะลอคตวซงกนและกน แลวยงมเสนใยในแนวแกน Z มาชวยจบยดในโครงสรางการทอ หรอรปแบบทเสนใยตามยาวและเสนใยตามขวางจะถกลอคดวยเสนใยในแนวแกน Z ทสลบขนลงไปตามความหนาของโครงสราง ดงแสดงในรปท 2.16

รปท 2.15 แสดงรปแบบโครงการทอแบบ 3D angle-interlock (a) ชนด layer to layer (b) แสดงโครงสรางกระบวนการทอแบบ 3 มต

[http://textlnfo.wordpress.com/2012/05/07/multiaxis-three-dimensional-3d/]

29

รปท 2.16 แสดงรปแบบโครงการทอแบบ 3D angle-interlock ชนด through-thickness [Brian N. Cox and Gerry Flanagan, 1997]

2.5 การเปรยบเทยบสมบตของการทอแบบ 2 มต และ 3 มต

2.5.1. สมบตความตานทานตอแรงดง (Tensile properties) การทดสอบแรงดงของรปแบบการทอ 3 มต โดยศกษาวสดผสมเสรมแรง

ดวยเสนใยทอแบบ 3 มต เปรยบเทยบกบการทอแบบ 2 มต ดงรปท 2.17 พบวา คายงมอดลสของการทอแบบ 3 มต มคาต ากวาการทอแบบ 2 มต และจากขอมลงานวจยของ Lee และคณะ 2002 คายงมอดลสของการทอแบบ 3 มต ต ากวาการทอแบบ 2 มต อย 35 % สวนในงานวจยอน ๆ คายงมอดลสของการทอแบบ 3 มต ต ากวาการทอแบบ 2 มต อย ในชวงประมาณ 10-35 % (Ding et al.,1993, Guess et al., 1985) เนองจากรปแบบ 3 มต มเสนใยในแนวแกน Z เปนตวประสานหรอจบยดเสนใยตามยาวและตามขวางไมใหแยกออกจากกน แตส าหรบการทดสอบแรงดงเสนใยทอยในแนวแกน Z เปนสวนทรบแรงมากกวาเสนใยตามยาวและตามขวาง ท าใหเสนใยแนวแกน Z เกดความเสยหายกอน จงสงผลใหเสนใยตามยาวและตามขวางทไมมเสนใยแกน Z ชวยจบยดจงเกดการแยกตวออก ท าใหรปแบบการทอแบบ 3 มตมสมบตตานทานตอแรงดงลดลง ซงตางจากรปแบบการทอแบบ 2 มต ทเสนใยตามยาวและตามขวางมการจบยดซงกนและกน ท าใหเสนใยท งสองทศทางรบแรงดงไปพรอมๆ กน ดงนนท าใหรปแบบการทอ 2 มต มความตานทานตอแรงดงไดดกวารปแบบการทอ 3 มต

or Z

30

รปท 2.17 ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดของวสดผสมทอแบบ 2 มต และ 3 มต

2.5.2. การทดสอบการกระแทกของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใย

ความเสยหายจากการกระแทกของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอแบบ 3 มต โดยใชการกระแทกของหวเจาะ (Rocket) ภายใตภาระแรงทกระท า การทดสอบอยในชวงระดบพลงงานต าถงปานกลาง ขนอยกบน าหนกทถวงส าหรบการเคลอนทความเรวต า จากการทดสอบพบวา ผลของความเสยหายจากการกระแทกในการทอแบบ 3 มต มความตานทานการแยกตวของเสนใยไดดกวาการทอแบบ 2 มต เนองจากการทอแบบ 3 มต มการจบยดเสนใยในแกน Z มารวมในโครงสรางการทอท าใหเกดการแตกหกหรอรอยแตกบนชนทดสอบไดนอยกวาการทอแบบ 2 มต และจากการกระแทกวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอแบบ 3 มต และ 2 มต ภายใตพลงการกระแทกเดยวกนท าใหคาเปอรเซนตความแขงแรงดดของการทอแบบ 3 มต มคาสงกวาแบบ 2 มต ดงแสดงในรปท 2.18(a) ทดสอบการกระแทกของวสดผสมท ามาจากเสนใยคารบอนคอมโพสทกบอพอกซ ภายใตพลงงานการกระแทก 2-6 จล เพอศกษาความแขงแรงดดของชนทดสอบ พบวา วสดผสมรปแบบ 3 มต มคาความแขงแรงมากกวารปแบบ 2 มต อยประมาณ 57 % และจากงานวจย Arendst และคณะ (1993) แสดงคาความตานแรงกดกบคาพลงงานกระแทก ดงแสดงในรปท 2.18(b) ชนทดสอบเปนวสดผสมแบบเดยวกบรปท 2.18 (a) ศกษาความตานทานแรงกดภายใตพลงงานการกระแทก พบวา ทพลงงานการกระแทก 0 J/mm วสดผสมแบบ 3 มต มคาความตานทานแรงกดนอยกวาแบบ 2 มต อย 100 MPa เมอพลงงานการกระแทกเพมขนเปน 3.3 J/mm จะมคาความตานทานแรงกดมากกวาแบบ 2 มต อย 25 MPa และพลงงานการกระแทก 6.7 J/mm จะมคาความตานทานแรงกดมากกวาแบบ 2 มต อย 40 MPa สรปไดวาความสามารถในการดดซบพลงงานกระแทกของการทอแบบ 3 มต ไดดกวาแบบ 2 มต

31

รปท 2.18 ผลของพลงงานการกระแทกกบ (a) ความเคนของการดด และ (b) ความเคนของ

การอดระหวางวสดผสมทอแบบ 2 มต และ 3 มต

2.6 ทฤษฎการวเคราะหสมบตของวสดผสม ทฤษฎการค านวณพนฐานของชนลามเนตเพอหาคณสมบตของวสดในแตละชน

(Laminate) โครงสรางของวสดผสม ประกอบดวยวสดประเภทเสนใยและเมตรกซ ซงการวเคราะหโดยสมมตใหวสดผสมเปนเนอเดยวกนและเปนแบบออรโททรอปก วเคราะหโดยการใสแรงหรอความเคนเขาไปและศกษาการเสยรป (deformation) หรอ ความเครยด สามารถค านวณคามอดลสยดหยนและสมบตทางกลอนๆ ไดจากแตละชนลามเนต ส าหรบคาสมบตทางกลของเสนใยทอแนวเดยวในการวเคราะหระดบกลไก มหภาคสามารถค านวณโดยใชสมมตฐานตามทฤษฎความเครยด (Equal strain theory) คอ สมมตใหความเครยดของวสดประกอบมคาเทากนทงหมดไมวาจะเปน

32 สวนทเปนเสนใยหรอเมตรกซโดยสมบตทางกล เชน คา ยงมอดลส ปวสซอง และ มอดลสการเฉอนของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยZ (เตชพทธ ฟกเปยมและสนตสข นนทยกล, 2553) ตามสมการตอไปน

mmff1VEVEE (2.1)

fmmf

mf2

VEVE

EEE

(2.2)

ffmm12 VνVνν (2.3)

)ν2(1

EG

f

ff

(2.4)

)ν2(1

EG

m

mm

(2.5)

fmmf

mf12

VGVG

GGG

(2.6)

โดยท

Ef = มอดลสยดหยนของเสนใย Em = มอดลสยดหยนของเมตรกซ E1 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวยาวของเสนใย E2 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวขวางของเสนใย f = สดสวนปวสซองของเสนใย m = สดสวนปวสซองของเมตรกซ 12= สดสวนปวสซองของวสดผสม Vf = สดสวนปรมาตรของเสนใยตอปรมาตรทงหมดของวสดผสม Vm = สดสวนปรมาตรของเมตรกซตอปรมาตรทงหมดของวสดผสม Gf = มอดลสเฉอนของเสนใย Gm = มอดลสเฉอนของเมตรกซ G12= มอดลสเฉอนของวสดผสมในระนาบอางอง

33 2.7 ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดเบองตน (Basic Stress-strain Relations) [David Roylance, 2000]

ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดส าหรบการวเคราะหในวสดผสมเปนเนอเดยวกนและมสมบตเหมอนกนไมขนกบทศทางเปนวสดทมคณสมบตแบบไอโซทรอปก (Isotropic) คอ วสดทมคามอดลสยดหยนกบมอดลสเฉอนไมขนกบทศทางใดๆ ท าใหการศกษาคามอดลสยดหยนในทศทางใดๆไมมผลตอสมบตทางกลของวสด และวสดมลกษณะเปนวสดทมเนอเดยวกนและมความตอเนอง

วสดประเภทออรโททรอปก สมบตทางกลของวสดจะมความแตกตางกนไปตามทศทางของแตละแกน ความแขงแรงของวสดจะขนอยกบทศทางทขนานกบเสนใยมากกวาในทศทางตามขวาง ดงรปท 1.19 มอดลส E1 ในทศทางจะมคามากกวาทศทางตามขวาง (E2 และ E3) เพราะเปนทศทางเดยวกบเสนใย จะไดวา

321EEE แตส าหรบคณสมบตในระนาบขวางกบ

ทศทาง แบบไอโซทรอปก ประมาณไดวา (E2 = E3 )

รปท 2.19 ทศทางของวสดประเภทออรโททรอปก

วสดผสมทมความเคนหรอแรงมากระท าในแนวแกนหลก (Principal Axes) เชนแนวแกน 1, 2 และ 3 ท าใหไดสมการในเทอมของความเคน-ความเครยด ดงน

2

221

1

11

E

σν

E

σε

2

2

1

1122

E

σ

E

σνε (2.7)

12

1212

G

τγ

3

1

2

34 โดยท

E1 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวยาวของเสนใย E2 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวขวางของเสนใย G12= มอดลสเฉอนของวสดผสมในระนาบอางอง 12 และ 21 = คาสดสวนปวสซองของวสดผสม หาคา 12 คอ ความเครยดทเกดในทศท 2 เมอมความเครยดหรอความเคนมากระท าในทศท

1 โดย 12 > 21 ไดจากสมการ (2.8)

2

21

1

12

E

ν

E

ν หรอ

2

12112

E

Eνν (2.8)

ในเทอมของความเคนส าหรบความเครยดในสมการท (2.7) โดยจดรปสมการใหมดงน

2112

2121

2112

111

νν1

εEν

νν1

εEσ

2112

22

2112

12122

νν1

εE

νν1

εEνσ

(2.9)

121212 γGτ

จากสมการท (2.7) และ (2.9) มคาคงทอลาสตกทกลาวในขางตนคอ E1 E2 12 21 และ G12 สามารถเขยนในรปสมการเมตรกซ ดงสมการท (2.10) และ (2.12)

12 = S12 (2.10)

โดยท: 12 = { 1 2 12} และ 12 = {1 2 12}

คา Compliance matrix หรอ [S] มคาดงน

12

21

12

2

21

1

G

100

0E

1

E

ν

0E

ν

E

1

S (2.11)

ก าหนดให S12 = S21

12 = C12 (2.12)

35 คา Stiffness matrix [C] มคาดงน

12

2112

2

2112

121

2112

112

2112

1

G00

0νν1

E

νν1

Eν

0νν1

Eν

νν1

E

C (2.13)

ก าหนดให C12 = C21 2.8 แรงทไมไดอยในแนวแกนของวสดผสม (Off –Axis Loading of a Unidirectional Composite) [M.F. Ashby, 2005]

สมบตของแผนวสดประกบกนเปนชนทขนอยกบทศทางของเสนใย โดยปกตทศทางของเสนใยมการเปลยนแปลงไปในแตละชน ดงนนเสนใยทอยในทศทางตามแนวยาวเดยวกนจะถกกระท าภายใตแรงหรอความเคนเดยวกน สวนเสนใยทถกความเคนมากระท าใหเกดการหมนหรอท ามมกบแนวยาวหรอแรงไมไดอยในแนวแกนของเสนใย เรยกวา Off-axis loading

โดยการเปรยบเทยบการวเคราะหการจดเรยงชนของวสด (Laminate of material) สามารถพจารณาในแตละชนของเสนใยทท ามมตางกนได ส าหรบการวเคราะหคา principal stress ของวสดทมคณสมบตทางกายภาพทเหมอนกนทกทศทาง ดงแสดงในรปท 2.20

q

2

1

Y

X

y

x

xy

Fibres

รปท 2.20 แผนลามนาบนแกน 1-2 ทหมนท ามม q กบแกนอางอง X-Y

36

ซงสามารถเขยนในรปสมการท (2.14) และ (2.15)

xy12 Tσσ (2.14)

xy12 εTε (2.15)

โดยท 122112 τσ σσ และ

xyyxxy τσ σσ

1221

2112 γ ε εε และ xy2

1yxxy γ ε εε

และ Transformation matrix หรอ [T] มคาดงน

)n(mmnmn

2mnmn

2mnnm

T22

22

22

(2.16)

ก าหนดให m = cos q และ n = cos q จากการวเคราะหอลาสตกซต (elasticity) มอทธพลตอความเครยดจะตองรคาความ

เคนทมากระท าตามสมบตอลาสตกของวสด ซงแกนอางองทรคอแกน 1-2 แตแกนทไมทราบคอแกน x-y สามารถแกปญหาไดจากสมการทางคณตศาสตรได ซงสมการการเปลยนแปลงมดงน

xyεC

xyσ

(2.17)

คา C คอ Transformation stiffness matrix โดยท T C1TC สามารถหาได

จากสมการท (2.18)

3

332212

3

33121123

3

332212

3

33121113

44

33

22

3312221112

44

12

22

33221112

4

22

22

3312

4

1122

4

22

22

3312

4

1111

)nm2CC(Cm)n2CC(CC

m)n2CC(C)nm2CC(CC

)n(mCm)n2C2CC(CC

)n(mCm)n4CC(CC

mCm)n2C2(CnCC

nCm)n2C2(CmCC

(2.18)

ท านองเดยวกนความสมพนธระหวางความเคนความเครยดมคาแปรผนกบ

Transformation stiffness matrix ดงน

xyxy

1

xyσSσCε (2.19)

37 2.9 ความตานทานตอการเปลยนรปของลามเนต (Stiffness of laminate)

โครงสรางของแผนบางทมาประกบกนเปนวสดผสม ท าการขนรปดวยการน ามาวางซอนกนเปนชนๆ ในทศทางเดยวกนหรอก าหนดทศทางและความหนาตามสมบตทตองการ สมบตกลาวถงคอความตานทานตอการเปลยนรปและความแขงแรง ซงวสดผสมแผนประกบนยมใชในการท าปก ใบพด และหางของเครองบน และใชในการท าถงเกบน า เปนตน

ขอตกลงในการก าหนดสญลกษณของลามเนตทมการจดเรยงชนเสนใยตงแตสองชนวางซอนขนไปและล าดบของการลามเนตเปนดงน เชน ส าหรบ 4 ชนของลามเนตทมการจดเรยงขามชนกน ทมแนวเสนใยตามล าดบท 0◦, 90◦, 90◦, 0◦ เรยงจากพนผวบนสพนผวต ากวาจะแสดงในรป (0 / 90) S ซง 'S' ตอทายหมายถงล าดบการเรยงซอนเปนสมมาตรกน สงเกตตามการจดเรยงชนทความหนาชวงกลางของการลามเนต โดยลามเนต (0/45/90) s และ (45/90/0) s ทมจ านวนชนเหมอนกน แตทแตกตางกนคอล าดบการซอนกน (F.L. Matthews and R.D. Rawlings “Composite Materials: Engineering and Science” 1994)

ส าหรบวสดทมการจดเรยงชนของเสนใยแบบสมมาตรดวยชนออรโททรอปก โดยวสดผสมทจดวาเปนการจดเรยงแบบสมมาตร คอ วสดทมการจดเรยงของชนแตละชนทมระยะหางเทาๆ กนจากระนาบอางองมความหนา การวางตวของแนวเสนใยและคณสมบตของชนลามนาทเหมอนกน เมอพจารณาชนของลามเนตทม n ชน ดงรปท 2.21 (เตชพทธ ฟกเปยมและสนตสข นนทยกล, 2553)

รปท 2.21 ลามเนตแบบสมมาตรและชนแตละชนของลามเนต

38

ลามเนตภายใตแรงลพธทอยในระนาบ (N) และโมเมนต (M) ผลลพธดงแสดงในรปท 2.22 ผลของแรงลพธตอหนวยความกวางและ ผลลพธของโมเมนตตอหนวยความกวาง

รปท 2.22 แรงลพธทกระท าบนแผนลามเนต

ในแนวระนาบผลลพธของ แรงและโมเมนตมความสมพนธกบความเครยดกลางระนาบของลามเนตและสวนโคงงอ มสมการดงตอไปน

xy

y

x

0

xy

0

y

0

x

662616662616

262212262212

161211161211

662616662616

262212262212

161211161211

xy

y

x

xy

y

x

K

K

K

γ

ε

ε

DDDBBB

DDDBBB

DDDBBB

BBBAAA

BBBAAA

BBBAAA

M

M

M

N

N

N

(2.20)

ในเทอมของเมตรกซ [A],[B] และ[D] สามารถค านวณไดจากสมการ (2.21)

39

1kkk

n

1k

ZZCA

)(2

1 2

1

2

1

kkk

n

k

ZZCB (2.21)

)(3

1 3

1

3

1

kkk

n

k

ZZCD

สมการดงขางตนตงอยบนสมมตฐานทส าคญดงตอไปน i. พฤตกรรมความเคนเกดขนภายในระนาบแตละชน ii. มการเปลยนรปรางเลกนอยของแรงเฉอนตามความหนา iii. มพฤตกรรมยดหยนเปนแบบเชงเสน iv. ความเครยด การหมน และสวนโคงงอ เกดขนเพยงเลกนอย

ในกรณทวสดเปนวสดจดเรยงแบบสมมาตร คาความสมพนธของความเครยดในระนาบอางองสมพนธกบภาระทกระท าตอชนงานแสดงมคาดงน

s

y

x

sssysx

ysyyyx

xsxyxx

0

s

0

y

0

x

N

N

N

aaa

aaa

aaa

γ

ε

ε

(2.22)

เมอ [a ] =[A ]-1 โดยท [ a] เปนอนเวรสเมตรกซของเมตรกซ [A ] ดงสมการ (2.23)

sssysx

ysyyyx

xsxyxx

1

aaa

aaa

aaa

AadjAdet

1A (2.23)

จากการวเคราะหลามเนตนนอาจสามารถวเคราะหเปนวสดแอนโซทรอปกทเปน

เนอเดยวกน ซงสามารถแสดงออกมาเปนสมการระหวางคาความเคนเฉลย ความเครยดเฉลย และคาเชงประสทธผล และสมการท 2.23 สามารถเขยนออกมาในเทอมของคาคงททางวศวกรรมไดโดยการแทนคาคงทตางๆ ของลามเนตลงในสมการจากการวเคราะหแบบมหภาค การตอบสนองทไดของคามอดลสของลามเนตและคาความเคนเฉลยเปนดงน

40

h

1

N

N

N

τ

σ

σ

s

y

x

s

y

x

(2.24)

จากการเปรยบเทยบกบในลามนา คาความสมพนธระหวางเครยดและแรงส าหรบลามเนตสามารถเขยนในรปของคาคงททางวศวกรรมไดดงน

h

1

N

N

N

G

1

E

η

E

η

G

η

E

1

E

ν

G

η

E

ν

E

1

γ

ε

ε

s

y

x

xyy

ys

x

xs

xy

sy

yx

xy

xy

sx

y

yx

x

0

s

0

y

0

x

(2.25)

เมอน าสมการมาพจารณาโดยเปนสมการทเทากนระหวางเทอมของสมการท 2.22 และเทอมของคาเมตรกซสมประสทธ ในสมการท 2.25 จะไดความสมพนธของภายในระนาบของคาคงทการยดหยนส าหรบลามเนตทมความสมดลและสมมาตรทมความหนา h ของวสดทลามเนตทงหมดจะไดวา

ss

xy

yy

y

xx

xha

1G,

ha

1E,

ha

1E

yy

xsyx

xx

ys

xya

aν,

a

aν (2.26)

ss

ys

sy

yy

sy

ys

xx

sxxs

ss

xssx

a

aη,

a

aη,

a

aη,,

a

a

2.10 วเคราะหสมบตของวสดผสมการทอแบบ 3 มต

สมบตการเปลยนแปลงแบบคงทของอลาสตกตามแนวแกนวสดผสมโดยใชสมการพนฐานในการค านวณสมบตอลาสตกตามแนวแกนวสดผสม โดยใชความสมพนธของสมการดงตอไปน (Mohammed F. Aly et al., 2010)

41

)ν2(1

EG

)VG(GGG

)VG(GGGGG

/EEννν1

/EEνν1)V(1νVνν

)V(1νVνν

)VE(EEE

)VE(EEEEE

)V(1EVEE

23

223

fmfmf

fmfmfm12

1m12m

2

m

1m12mfmff23

fmff12

fmfmf

fmfmfm2

fmff1

(2.27)

โดยท Ef = มอดลสยดหยนของเสนใย Em = มอดลสยดหยนของเมตรกซ E1 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวยาวของเสนใย E2 = มอดลสยดหยนของวสดผสมตามแนวขวางของเสนใย f = สดสวนปวสซองของเสนใย m = สดสวนปวสซองของเมตรกซ 12 = สดสวนปวสซองของวสดผสม Vf = คาสดสวนปรมาตรของเสนใยตอปรมาตรทงหมดของวสดผสม Vm = คาสดสวนปรมาตรของเมตรกซตอปรมาตรทงหมดของวสดผสม Gf = มอดลสเฉอนของเสนใย Gm = มอดลสเฉอนของเมตรกซ G12 = มอดลสเฉอนของวสดผสมในระนาบอางอง หลงจากค านวณคาคงทของอลาสตกตามแนวแกนวสดผสม สามารถน ามาหาคาอลาสตก

ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ โดยใชความสมพนธจากสมการท 2.28 ซงวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ แบบ 3 มต จะมคา E2 จะมคาเทากบ E3 คา 12=13 และคา G12=G13

42

WF

23G

1UD

122G

1

2E

23ν1

WF

12G

1UD

12G

1

WF

3E

1

UD

)2

)E12

2ν(11

(E2

E1

E

22

E212ν

2E

1)E

23ν

122ν

122ν(12

1)E2

23ν(1

WF

1E

23ν

UD

2)E

122ν(1

1E

22

E212ν)

23ν

12ν

23ν

12(ν

1E

1E

1

WF

1E

12ν

UD

22

)E212ν(1)

22E

1(E

1E

)2

E212ν

1(E

2E

12ν

1E

4

WF

1E

1

UD

22

)E212ν(1)

22E

1(E

1E

22

E212ν)

2)E2

12ν(1

1(E

1E

1E

2

(2.28)

โดยท UD คอ คาคงทของอลาสตกตามแนวแกนวสดผสม WF คอ คาอลาสตกของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ

ส าหรบโครงสรางการทอแบบ 3D orthogonal ทมเสนใยตามยาว (warp yarns) และเสนใยตามขวาง (weft yarns) มการผกมดรวมกนอยางตอเนอง โดยมเสนใยในทศทางแกน Z วงผานตามความหนาของผนเสนใย ซงเสนใยตามยาวและตามขวางถกจดใหอยในระนาบทมความยดหยนสงและมความแขงแรง แลวมเสนใยวงผานตามความหนาเพอรกษาเสถยรภาพของโครงสรางการทอ ส าหรบรปแบบโครงสรางเสนใยตามยาวและตามขวาง รวมกนกบเสนใยแนวแกน Z ทตงฉากซงกนและกนของเสนใย ภายในหนงหนวยเซลลของเสนใยทอแบบ 3 มต ดงแสดงในรปท 2.23

43

รปท 2.23 รปแบบหนวยเซลลส าหรบวสดผสมการทอแบบ 3D orthogonal

รปแบบหนวยเซลลส าหรบวสดผสมการทอแบบ 3D orthogonal มสวนประกอบ

ของเสนใย (เสนใยตามยาว เสนใยตามขวาง และเสนใยในแนวแกน Z) และเมตรกซ ดงแสดงในรปท 2.23 ส าหรบในทศทาง X,Y และ Z จะถกก าหนดไปตามแนวแกนของเสนใยตามยาว (warp yarns) เสนใยตามขวาง (weft yarns) และ เสนใยในสวนของความหนา (Z yarns) และเสนใยแตละเสนมการท ามมกนในทศทาง 1-2-3 ซงเสนใยตามแนวยาวของเสนใย คอ ทศทางท 1 เสนใยทตงฉากกบแนวแกน คอ ทศทางท 2 และ ทศทางท 3 คอ ทมการตงฉากกบระนาบ 1-2 เสนใยทท ามมกบทศทาง 1-2-3 ดงแสดงในรปท 2.24 และ 2.25

รปท 2.24 เสนใยตามแนวยาวและขวางในหนวยเซลล

44

รปท 2.25 เสนใยแนวแกน Z ในหนวยเซลล

2.11 คา Stiffness and Compliances Matrices ส าหรบในหนวยเซลลรปแบบ 3 มต

ส าหรบวสดทออรโททรอปก คา Stiffness matrix [C] ททศทาง 1-2-3

12

31

23

33

22

11

66

55

44

333231

232221

131211

12

31

23

33

22

11

2ε

2ε

2ε

ε

ε

ε

C00000

0C0000

00C000

000CCC

000CCC

000CCC

σ

σ

σ

σ

σ

σ

(2.29)

[C] คอ stiffness matrix และ [S] คอ compliance matrix โดยท [S] เปนอนเวรสเมต

รกซของเมตรกซ [C]

12

31

23

32

23

1

13

2

23

21

12

1

13

1

13

1

1

G100000

0G

10000

00G

1000

000E

1E

νE

ν

000E

νE

1E

ν

000E

νE

νE

1

CS (2.30)

โดยท E1, E2, E3, G12, G13, G23, v12, v13, v23 คอ คายงมอดลส มอดลสเฉอน และคา

อตราสวนปวสซองของวสดผสมเสนใย ตามล าดบ

45 ส าหรบคา transformation matrix [T] มดงน

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

m2ln2ln2mnml

m2ln2ln2mnml

m2ln2ln2mnml

T

212112211221312121

313113311331313131

233223322332323232

333333

2

3

2

3

2

3

222222

2

2

2

2

2

2

111111

2

1

2

1

2

1

ε (2.31)

โดย 1,2,3)(i z)cos(i,n y),cos(i,m x),cos(i,l iii คา Transformed compliance matrix คอ S ดงแสดงในสมการ 2.32

ε

1

εT STS

(2.32) ส าหรบเสนใยตามยาวในหนวยเซลล (ในรปท 2.14) จะไดวา SS ส าหรบเสนใยตามขวาง คา Transformed compliance matrix จะไดวา

2

1

2T STS

โดยท [T2] มคา l1=0, l2=-1, l3=0, m1=1, m2=0, m3=0, n1=0, n2=0, n3=1 ส าหรบเสนใยตามแกน Z คา Transformed compliance matrix จะไดวา

3

1

3T STS

โดยท [T2] มคา l1=0, l2=0, l3=1, m1=0, m2=1, m3=0, n1=-1, n2=0, n3=0 จากนนมาค านวณหาคาเมตรกซ [A] ของการทอแบบ 3 มต ในท านองเดยวกบในหวขอท 2.9 แลวน ามาหาสมบตทางกลของลามเนตในแนวแกนหลกไดดงสมการตอไปน

,ha

1E,

ha

1E

yy

y

xx

x yy

xsyx

xx

ys

xya

aν,

a

aν โดยคา h คอ ความหนาของลามเนต

จากขนตอนในการหาสมบตทางกลของวสดผสมจากการระบคาตางๆ ของวสดผสมแบบลามเนต จะไดผลลพธสดทายเปนคาสมบตทางกลทเราจะตองใชในการท าการศกษาเพอน ามาเปรยบเทยบกบคาทไดจากการทดสอบตอไป

46 2.12 สมบตความสามารถในการตานทานการเจาะทะล สมบตความสามารถในการตานทานการเจาะทะล ทจะกลาวถงในหวขอน ประกอบดวย ความหนาแนนเชงพนท ความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ และพลงงานดดซบจ าเพาะ ดงรายละเอยด ตอไปน 2.12.1 ความหนาแนนเชงพนท (Areal density) คอ น าหนกของชนทดสอบตอหนงหนวยพนทหนาตดของชนทดสอบ ดงนน หนวยของความหนาแนนเชงพนทจงเปนหนวยของกโลกรมตอตารางเมตร

ความหนาแนนเชงพนท= น าหนก / พนทหนาตด

หรอ 2kg/mA

Wdensity Areal

2.12.2 ความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ (Specific puncture load) คอ การรบแรงสงสดตอความหนาแนนเชงพนทของชนทดสอบ

คาความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ = แรงสงสด / ความหนาแนนเชงพนท

หรอ

kgmN

density Areal

Loadload puncture Specific

2

2.12.3 คาพลงงานดดซบจ าเพาะ (Specific absorbed energy) คอ พลงงานดดซบตอความหนาแนนเชงพนทของชนทดสอบ โดยทคาพลงงานดดซบค านวณไดจากพนทภายใตเสนกราฟระหวางแรงกบระยะทเปลยนไป

คาพลงงานดดซบจ าเพาะ= พลงงานดดซบ / ความหนาแนนเชงพนท

หรอ

kgmJ

density Areal

Eenergy absorbed Specific

2absorbed

47

บทท 3

อปกรณและวธการวจย บทนจะกลาวถง วสด อปกรณและขนตอนในการท าวจย ซงประกอบดวยการ

ทดสอบความตานทานตอแรงดง การทดสอบความตานทานตอการเจาะทะล เพอน าไปสการวเคราะหและเปรยบเทยบผลการทดสอบของวสดผสมทท ามาจากเสนใยทอ

3.1 วสดทใชในงานวจย

3.1.1 เสนใยแกว เสนใยแกวชนด E-glass แบบ Roving No.1200 tex มลกษณะสขาวขน มนวาว มเสนผานศนยกลางของมดเสนใยประมาณ 1.86 มลลเมตร 3.1.2 เสนใยไนลอน ในงานวจยนมดวยกน 2 ชนด ดงน 3.1.2.1 เสนใยไนลอน แบบ monofilament No.15 ชนดไนลอน 6 มลกษณะผวมนใส มนวาว เสนผานศนยกลางของเสนใยเดยวประมาณ 0.16 มลลเมตร 3.1.2.2 เสนใยไนลอน แบบ twine No.210 D/2 ชนดไนลอน 6,6 มลกษณะสขาวขน เสนผานศนยกลางของมดเสนใยประมาณ 0.38 มลลเมตร 3.1.3 เสนใยเคฟลา (Kevlar brand fiber) No. 30/3 มลกษณะสเหลองขน มเสนผานศนยกลางของมดเสนใยประมาณ 0.41 มลลเมตร เปนเสนใยส าหรบงานเยบผาทวไปและถกทอเปนถงมอผากนของมคม ซงไมใชเสนใยทใชส าหรบทอเปนเสอเกราะกนกระสน

48

3.2 สารเคม 3.2.1 อพอกซ เกรด 850 อพอกซ เกรด 850 คอ epoxy resin ชนด Epichlorohydrin-bisphenol มสมบตความทนทานตอสารเคม สมบตการยดเกาะตดทด และตานทานตอความรอนไดดลกษณะเปนของเหลวไหล และคณสมบตทางกายภาพแสดงในตารางท 3.1 ตารางท 3.1 แสดงคณสมบตของอพอกซ เกรด 850

คณสมบต คา

Viscosity (25 C ) 11,000-15,000 cPs Color (Gardner) 2 max Epoxide Equivalent weight 184-194 Non-Volatile 100% Diluent Xylene

3.2.2 ฮารทอพอกซ เกรด 982 ฮารทอพอกซ เกรด 982 คอ พอลเอไมดเรซน (polyamide resin) เปนตว

เพมความแขงใหกบอพอกซ ท าใหสมบตเชงกลและความตานทานตอความรอนเพมขน และมความคงทนตอการเปลยนรป ลกษณะเปนของเหลวสน าตาลใส และคณสมบตทางกายภาพแสดงในตารางท 3.2

ตารางท 3.2 แสดงคณสมบตของฮารทอพอกซ เกรด 982 คณสมบต คา

Viscosity (40 C ) 80-120 cPs Amine Value 245-285 Color (Gardner) 13 max Diluent Xylene

การผสมของอพอกซ เกรด 850 กบฮารทอพอกซ เกรด 982 ทอตราสวน

100/100 โดยน าหนก ซงมคณสมบตเชงกลดงแสดงในตารางท 3.3

49

ตารางท 3.3 สมบตเชงกลของอพอกซ เกรด 850 กบผสมฮารทอพอกซ เกรด 982 ทอตราสวน 100/100 โดยน าหนก

สมบต คา Hardness (Rockwell M-scale) 78 Flexural strength (MPa) 61

Flexural Modulus (MPa) 970 Compressive strength (MPa) 55 Compressive Modulus (MPa) 1080 Impact strength ( 2cm/cmkg ) 1.6

* ขอมลจากบรษทผผลต

3.3 เครองมอส าหรบงานวจย 3.3.1 เครองจดมดเสนใย เครองจดมดเสนใยสามารถจดมดเสนใยจ านวน 10 เสน จดมดรวมกนเปน 1 เสน เนองจากเสนใยบางชนดมขนาดเลกจงจ าเปนตองจดเกบเปนมดเสนใย โดยน ามามดรวมกนใหเปนมดเสนใยทขนาดใหญขน เพอเพมพนทของเสนใยในการทอขนรป และชวยใหเสนใยแตละชนดมขนาดเสนใยใกลเคยงกน ดงรปท 3.1

รปท 3.1 เครองจดมดเสนใย

50

3.3.2 เครองทอขนรปเสนใย เครองทอจะมสวนประกอบหลก ดงน ชดยดเสนใย ชดสลบลายทอ และชดปรบความตงของเสนใย เปนเครองใชส าหรบการทอขนรปเสนใยทอ ดงแสดงในรปท 3.2

รปท 3.2 เครองทอขนรปเสนใย

ชดปรบความตงของเสนใย

ชดสลบลายทอ

ชดยดเสนใย

51

7 มลลเมตร

3.3.3 ชดทดสอบความตานการเจาะทะล

หวเจาะชนทดสอบ (Solid steel Rod) ใชเหลกเพลาตนขนาดเสนผานศนยกลาง 30 มลลเมตร สวนปลายของหวเจาะถก Chamfer ขนาด 0.8 มลลเมตร ยาว 50 มลลเมตร และเสนผานศนยกลางขนาด 8 มลลเมตร โดยสวนบนส าหรบ ยดกบเครองทดสอบ มความหนา 7 มลลเมตร สง 50 มลลเมตร ดงรปท 3.3

รปท 3.3 หวเจาะชนทดสอบ

ฐานจบยดชนทดสอบ ประกอบไปดวย 3 สวน ดงน

สวนท 1 วงแหวนจบชนทดสอบ มเสนผานศนยกลางภายใน 45 มลลเมตร และเสนผานศนยกลางภายนอก 100 มลลเมตร โดยเจาะรส าหรบใสนอตขนาด 6 มลลเมตร จ านวน 6 ร ทระยะรศม 44 มลลเมตร และมความหนา 15 มลลเมตร

สวนท 2 ทอทรงกระบอก มเสนผานศนยกลางภายในและภายนอกเทากบวงแหวนจบชนทดสอบ มความสง 80 มลลเมตร โดยดานบนท าสลกเกลยวส าหรบใสนอตขนาด 6 มลลเมตร จ านวน 6 ร และดานลางสลกเกลยวขนาด 8 มลลเมตร จ านวน 4 ร

50 มลลเมตร

50 มลลเมตร

Chamfer 0.8 มลลเมตร เสนผานศนยกลางขนาด 8 มลลเมตร

52

สวนท 3 ฐานยดกบเครองทดสอบ มเสนผานศนยกลาง 100 มลลเมตร ความหนา 15 มลลเมตร ซงเปนสวนรองรบทอทรงกระบอก และเจาะรใสนอตขนาด 8 มลลเมตร จ านวน 4 ร โดยมสวนยดกบเครองทดสอบ มความหนา 7 มลลเมตร สง 50 มลลเมตร

โดยสวนบนใชนอตขนาด 6 มลลเมตร จบยดระหวางวงแหวนจบชนทดสอบกบทอทรงกระบอก และสวนลางใชนอตขนาด 8 มลลเมตร จบยดระหวางทอทรงกระบอกกบฐานยดกบเครองทดสอบ ดงแสดงในรปท 3.4

รปท 3.4 ฐานจบยดชนทดสอบ

วงแหวนจบชนทดสอบ

ทอทรงกระบอก

ฐานจบยดกบเครองทดสอบ

53

3.3.4 เครองทดสอบความแขงแรงวสด เครองทดสอบความแขงแรงวสด (Universal testing machine) ผลตโดย Instron รน

8872 Load cell 25 kN โดยใชทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสนใย เพอหาความสมพนธระหวางความเคนและความเครยด และทดสอบความตานทานตอการเจาะทะล (Puncture resistance test) ของวสดผสมท ามาจากเสนใย เพอน าขอมลไปหาคาคณสมบตของวสด

รปท 3.5 เครองทดสอบความแขงแรงวสด (Universal testing machine)

3.4 ขนตอนและวธการวจย การวจยเรองของชนดเสนใยและโครงสรางการทอตอการลดพลงงานพงชน ประกอบดวย 4 กจกรรมหลก ดงแผนภาพรวมในงานวจยทแสดงในรปท 3.8 กจกรรมท 1 : ออกแบบและสรางชดทดสอบการกระแทกแบบ Puncture resistance test และทดสอบการท างานของชดทดสอบทสรางขน เปรยบเทยบสมบตการกระแทกของวสดทดสอบ กจกรรมท 2 : เปรยบเทยบผลทดสอบโครงสรางการทอเปนแบบ 3-D orthogonal และ 3-D angle-interlock ดงในรปท 3.6 และ 3.7 และเลอกใชโครงสรางการทอทดทสดขางตนส าหรบทอเสนใยชนดตางๆ

54

รปท 3.6 รปแบบการทอแบบ 3D orthogonal

รปท 3.7 รปแบบการทอแบบ 3D angle-interlock

กจกรรมท 3 : ขนรปชนงานวสดผสมจากเสนใยทอชนดตางๆ และทดสอบการกระแทกแบบ Puncture resistance test (ASTM D4833) และเปรยบเทยบผล กจกรรมท 4 : การทดสอบความตานทานตอแรงดง โดยท าการทดสอบ 2 สวน คอ

1) ทดสอบเสนใยเดยว เพอหาสมบตเชงกลของเสนใยไปใชในการค านวณทางทฤษฎลามเนตชน

2) ทดสอบวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ เพ อน าผลการทดสอบมาเปรยบเทยบกบคาทไดจะการค านวณทางทฤษฎ

X

z ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

x ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

z ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ท

ทท

ท

ท

ท

55

รปท 3.8 แผนภาพกจกรรมหลกของงานวจย

ศกษาและออกแบบ ชดทดสอบ

สรางชดทดสอบ

เปรยบเทยบรปแบบโครงสรางการทอ

-รปแบบการทอ 3D orthogonal

3D angle-interlock -โดยเสนใยทใชเปน เสนใยไนลอนทง 2 แบบ

ทอเสนใยรปแบบตางๆ ขนรปวสดผสม

ทดสอบและเปรยบเทยบผลดงตอไปน

สรปผลการทดลอง 1. ความสามารถตานทานการเจาะทะล - โครงสรางการทอทดทสด - ชนดของเสนใยทดทสด 2. ความตานทานตอแรงดง -เปรยบเทยบผลกบการค านวณ ทางทฤษฎ

ทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามา

จากเวนใยทอ

เปรยบเทยบผลของชนดเสนใย

-โดยเลอกการทอ แบบ 3D orthogonal -เสนใยแบบทอเดยว ประกอบดวย -Nylon ทง 2 แบบ -E-glass -Kevlar -เสนใยแบบทอผสานรวม

รปแบบการทอทดทสด

56

3.5 การเตรยมชนงาน ตองท าการเตรยมสารเคมทใชเปนเรซนคออพอกซ โดยสดสวนของ อพอกซ เกรด 850 กบ

ผสมฮารทอพอกซ เกรด 982 คอ 100:100 โดยน าหนก ท าการผสมจนเขากน แลวน าไปทาขนรปบนเสนใยทอตามขนตอนดงน ขนตอนแรก : วางเสนใยทอใหอยในแนวตามยาวดงรปท 3.9 โดยการทาอพอกซจะตองทาไปตามแนวยาวของผนเสนใยทอและทาไปในทศทางเดยวตลอดทงผน ดงรปท 3.10

รปท 3.9 การวางเสนใยทอในแนวตามยาว รปท 3.10 การทาอพอกซดวยแปลง

ขนตอนทสอง : การรดไลฟองดวยลกกลงเหลกจะตองกลงไปในทศทางเดยวกนกบเสนใยเพอปองกนการเคลอนของเสนใยในโครงสรางการทอ ดงรป 3.12

รปท 3.11 ลกกลงส าหรบไลฟองอากาศ รปท 3.12 การรดไลฟองดวยลกกลงเหลก

57

ขนตอนทสาม : น าแผนฟลมไมลาร (Mila) มาประกบบนชนงานททาอพอกซเสรจแลว ดงรปท 3.13 จากนนรดไลฟองอากาศอกครง การน าแผนฟลมไมลารมาประกอบเพอใหชนงานมผวทเรยบสม าเสมอกนตลอดทงผนเสนใยทอ แลวปลอยใหอพอกซแขงตว เปนระยะ 24 ชม. เมอชนงานทอพอกซแขงตวแลวใหแกะแผนฟลมไมลารออก (รปท 3.14) และน าไปตดเปนชนทดสอบขนาดตางๆ ตาม แตละวธการทดสอบ

รปท 3.13 แผนฟลมไมลาร (Mila) ทมาประกบบนชนงานททาอพอกซเสรจแลว

รปท 3.14 ชนงานทอพอกซแขงตว (ขนเปนวสดผสมเสรจแลว) 3.6 การทดสอบสมบตของเสนใยและวสดผสมท ามาจากเสนใย 3.6.1 การทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสยใยเดยว การทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสนใยเดยวแตละชนด ตามมาตรฐาน ASTM D3822-01 โดยทดสอบการดงจนขาด ทความเรวในการดง 30 มลลเมตรตอนาท ท าการจบเสนใยกบกรปจบชนงาน ใหเสนใยมความยาวท 25 มลลเมตร และเสนใยจะถกดงโดย

58

เครองทดสอบความแขงแรงวสด (UTM, Instron Model 8872) แสดงในรปท 3.15 ซงคาแรงดงและการยดตวจะถกบนทกเมอมแรงมากระท ากบเสนใย

Instron

25 mm

รปท 3.15 การทดสอบความตานทานตานแรงดง

3.5.2 การทดสอบความตานทานแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใย การทดสอบความตานทานตอแรงดงวสดผสม ตามมาตรฐาน ASTM

D3039 โดยทดสอบการดงจนขาด ทความเรวในการดง 2 มลลเมตรตอนาท น าเสนใยททอแบบ 3 มต มาวางเรยงทศทาง [0/90]s ขนาดของความกวางมคา 2.54 เซนตเมตร ความยาวมคา 20.32-20.48 เซนตเมตร ความหนาตามแตการผลตโดยตองพจารณาถงหวจบโดยทหวจบตองมความหนาไมเกน 1.10 เซนตเมตร และมขนาดของชนทดสอบดงแสดงในรปท 3.16

รปท 3.16 ขนาดชนงานทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D3039

59

3.6.2 การทดสอบความตานทานตอการเจาะทะล (Puncture resistance test) ชดทดสอบ Puncture resistance test ประกอบ ดวย หวเจาะชนทดสอบ

(Solid steel Rod) ยาว 50 มลลเมตร มเสนผานศนยกลางขนาด 8 มลลเมตร สวนปลายของหวเจาะถก Chamfer ขนาด 0.8 มลลเมตร และฐานจบยดชนทดสอบ (Ring Clamp) ทขนาดเสนผานศนยกลาง 45 มลลเมตร ดงชดทดสอบแสดงในรปท 3.9 และรปท 3.10 วธการทดสอบจะน าเสนใยทขนรปเปนวสดผสมเสรจแลว มาตดใหไดขนาด 60 x 60 มลลเมตร แลวน ามาทดสอบกบชดทดสอบ Puncture resistance test ทท าการตดตงบนเครองทดสอบความแขงแรงวสด (UTM, Instron Model 8872) ทความเรวในการกระแทก 0.005 และ 0.083 เมตรตอวนาท (300 และ 5,000 มลลเมตรตอนาท) แสดงในรปท 3.17 จากนนน าขอมลมาท าการวเคราะหเปรยบเทยบแรงสงสด

รปท 3.17 ชดทดสอบ Puncture resistance test ทตดตงบนเครองทดสอบความแขงแรงวสด (UTM, Instron Model 8872)

60

บทท 4

ผลการทดลองและเปรยบเทยบผล

4.1 การทดสอบความตานทานการเจาะทะล 4.1.1 เปรยบเทยบความเรวการเจาะทะล

ผลการทดสอบความตานทานการเจาะทะลดวยเครองทดสอบความแขงแรงวสด (Universal testing machine) ในหองปฎบตการ โดยท าการทดสอบวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal แสดงดงรปท 4.1 ทความเรว 0.083 m/s เสนใยสามารถรบแรงไดสงสดเทากบ 5.7 kN เมอเปรยบเทยบกบความเรว 0.005 m/s เสนใยสามารถรบแรงไดสงสดเทากบ 4.8 kN ดงนนความเรวมผลตอความสามารถตานทานการเจาะทะลของเสนใย เมอการใชความเรวต าในการทดสอบ แรงสงสดทท าใหชนทดสอบเกดความเสยหายมคานอยกวาทการใชความเรวสงในการทดสอบ เนองจากทความเรวในการทดสอบต าความเสยหายหลกของชนทดสอบขนอยกบอพอกซเมตรกซซงมความแขงแรงนอยถกท าลายและเสนใยทอยภายในเกดการยดตว ท าใหชนทดสอบมเวลาในการเปลยนแปลงขนาดอยางชาๆ ซงแตกตางกบทความเรวสงในการทดสอบ ชนทดสอบมเวลาในการเปลยนแปลงขนาดหรอการยดตวนอย จงท าใหการไถลของเสนใยเกดขนไดยาก ความเสยหายหลกจงเกดจากเสนใยทอยภายในทมความแขงแรงถกท าลาย

Displacement (mm)

0 1 2 3 4 5 6

Lo

ad

(N

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

E-glass 0.005 m/sE-glass 0.083 m/s

รปท 4.1 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจาก

เสนใย E-glass ทความเรว 0.005 และ 0.083 เมตรตอวนาท

61

4.1.2 เปรยบเทยบโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal weave และแบบ 3-D angle-interlock การทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะล (Puncture resistance test) ตาม ASTM 4833 โดยท าการทดสอบทความเรวในการเจาะทะลชนทดสอบ 0.083 เมตรตอวนาท ซงชนดของเสนใยและรปแบบโครงสรางการทอดงแสดงในตารางท 4.1 ตารางท 4.1 แสดงชนดของเสนใยและโครงสรางการทอทใชในการทดสอบความสามารถ ตานทานการเจาะทะล

ชนดของเสนใย โครงสรางการทอ

เสนใยไนลอน แบบ twine 3-D orthogonal และ 3-D angle-interlock

เสนใยไนลอนแบบ monofilament 3-D orthogonal และ 3-D angle-interlock

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12

Lo

ad

(N

)

0

1000

2000

3000

4000

Nylon (twine)

Nylom (monofilament)

รปท 4.2 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสดในโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal

62

จากขอมลในรปท 4.2 การทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอนในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal พบวา เสนใยไนลอนแบบ twine รบแรงไดสงสดเทากบ 3.5 kN และเสนใยไนลอน แบบ monofilament รบแรงไดสงสดเทากบ 3.0 kN แตแบบ monofilament สามารถยดตวไดดกวาเลกนอย

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12

Lo

ad

(N

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Nylon (twine)

Nylom (monofilament)

รปท 4.3 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสดในโครงสรางการทอแบบ 3-D angle-interlock

จากขอมลในรปท 4.3 การทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะล

ของวสดผสมท ามาจากเสนใยในรปแบบการทอแบบ 3-D angle-interlock โดยเสนใยไนลอน แบบ twine รบแรงไดสงสดเทากบ 2.9 kN และเสนใยไนลอน แบบ monofilament รบแรงไดสงสดเทากบ 1.3 kN

ผลการทดสอบความสามารถการตานทานการเจาะทะลของรปแบบการทอทง 2 แบบ ในรปท 4.2 และ 4.3 พบวา ความสามารถในการรบแรงสงสดของเสนใยไนลอน แบบ twine รบแรงไดมากกวาแบบ monofilament ในรปแบบการทอ 3-D orthogonal อยประมาณ 14.29 % และในรปแบบการทอ 3-D angle-interlock อยประมาณ 84.21% เนองจากเสนใยไนลอน แบบ monofilament มลกษณะผวของเสนใยทมนและเสนใยมความยดหยนสงกวาเสนใยไนลอน แบบ twine ท าใหการจบยดของมดเสนใยไดไมดในโครงสรางการทอ ส าหรบความสามารถในการ

63

ยดตวของรปแบบการทอ 3-D orthogonal และในรปแบบการทอ 3-D angle-interlock มคาใกลเคยงกน

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12

Lo

ad

(N

)

0

1000

2000

3000

4000Nylon twine (O)

Nylon twine (A)

Nylom monofilament (O)

Nylom monofilament (A)

รปท 4.4 กราฟแสดงการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน ทง 2 แบบ ภายใตการรบแรงกระแทกสงสด ในโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal

และแบบ 3-D angle-interlock

จากรปท 4.4 เปนการเปรยบเทยบรปแบบทอแบบ 3-D orthogonal และแบบ 3-D angle-interlock จากขอมลแสดงใหเหนวาระหวางรปการทอแบบ 3-D orthogonal มความสามารถในการรบแรงไดมากกวาแบบ 3-D angle-interlock โดยผลการทดสอบของเสนใย ไนลอน แบบ twine ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal สามารถรบแรงมากกวาแบบ 3-D angle-interlock ประมาณ 17.14 % ในท านองเดยวกนเสนใยไนลอน แบบ monofilament แบบ 3-D orthogonal สามารถรบแรงมากกวาแบบ 3-D angle-interlock ประมาณ 56.67 % ดงนน จากผลการทดสอบสามารถสรปไดวา รปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal สามารถตานทานแรงการเจาะทะลไดมากกวาแบบ 3-D angle-interlock จากผลการทดสอบสามารถค านวณหาคาพลงงานดดซบของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยไดจากการค านวณพนทใตกราฟระหวางแรงกบระยะทเปลยนไปของเสนใยแตละชนด ดงแสดงในตารางท 4.2

*** O: orthogonal A: angle-interlock

64

ตารางท 4.2 แสดงคาพลงงานดดซบของชนทดสอบทเกดในการทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะลภายใตการรบแรงสงสด

Sample Energy (J )

Nylon twine (O) 17.81 Nylon twine (A) 14.61 Nylon monofilament (O) 14.48 Nylon monofilament (A) 5.39

O: orthogonal weave, A: angle-interlock weave

จากตารางท 4.2 ว สดทมความสามารถในการดดซบพลงงานหรอพลงงานทเกดขนมการกระจายตวไดดในเนอของวสดหลงการรบแรงเจาะกระแทกสงสด จะพบวา ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน แบบ twine มการดดซบพลงงานมากกวาแบบ 3-D angle-interlock ประมาณ 17.91 % สวนวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน แบบ monofilament รปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal มการดดซบพลงงานมากกวาแบบ 3-D angle-interlock ประมาณ 62.78 % - เปรยบเทยบคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะ (Specific puncture load) ระหวางโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal weave และแบบ 3-D angle-interlock

ความสามารถในการรบแรงสงสด คาความหนาแนนเชงพนท และคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ ดงคาในตารางท 4.3

ตารางท 4.3 แสดงคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะ คาความหนาแนนเชงพนท (Areal density) และสมบตของชนทดสอบ (mono: monofilament, O: orthogonal weave , A: angle-interlock weave)

Sample Thickness

(mm) Density (kg/m3)

Areal density (kg/m2)

Max load (kN)

Specific puncture load

(kN m2/kg) Mean SD Mean SD Nylon twine (O) 4.41 0.88 862.3 3.9 0.16 3.5 0.90 Nylon twine (A) 4.96 0.94 720.8 3.6 0.18 2.9 0.81 Nylon mono (O) 3.28 1.02 1025.3 3.4 0.42 3.0 0.88 Nylon mono (A) 3.34 0.99 968.8 3.2 0.08 1.3 0.41

65

Nylon twine Nylon monofilament

Sp

ecif

ic p

un

ctu

re lo

ad

(k

N m

^2 /kg

)

0.0

.2

.4

.6

.8

1.0

Nylon twine (O)

Nylon twine (A)

Nylon monofilament (O)

Nylon monofilament (A)

รปท 4.5 กราฟแสดงคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะของวสดผสมท าจากเสนใยไนลอนทง 2 แบบ

รปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal กบ 3-D angle-interlock

น าคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะมาเขยนกราฟดงรปท 4.5 พบวา เสนใยไนลอนทง 2 แบบ ในรปแบบโครงสรางการทอแบบ 3-D Orthogonal มความสามารถตานทานการเจาะทะลไดดกวาโครงสรางการทอแบบ 3-D Angle-interlock โดยสงเกตจากคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะของเสนใยไนลอนแบบ twine ในรปแบบการทอแบบ 3-D Orthogonal มากกวาการทอแบบ 3-D Angle-interlock ประมาณ 10.00 % สวนเสนใยไนลอน แบบ monofilament คาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะของรปแบบการทอแบบ 3-D Orthogonal มากกวาการทอแบบ 3-D Angle-interlock ประมาณ 53.41 %

4.1.3 การทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอเดยวชนดตางๆ การเปรยบเทยบความสามารถตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยในรปแบบการทอแบบ 3-D Orthogonal และการทอแบบ 3-D Angle-interlock ในขอท 4.1.2 พบวา โครงสรางการทอแบบ 3-D Orthogonal มความสามารถตานทานการเจาะทะลไดดกวาการทอแบบ 3-D Angle-interlock จงเลอกทจะศกษาคณสมบตความสามารถตานทานการเจาะทะลของเสนใยชนดตางๆใน รปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal ซงเสนใย E-glass รบแรงไดสงสด

66

เทากบ 5.7 kN เสนใยไนลอน แบบ twine รบแรงไดสงสดเทากบ 3.5 kN เสนใยเคฟลา รบแรงไดสงสดเทากบ 3.1 kN และเสนใยไนลอน แบบ monofilament รบแรงไดสงสดเทากบ 3.0 kN พบวา เสนใย E-glass มความสามารถตานทานการเจาะทะลภายใตการรบแรงสงสดไดดทสด ดงแสดงในรปท 4.6 เชนเดยวกบวจยของ W. A. de Morais and J. R. M. d’Almeida ทศกษาการกระแทกของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใย พบวา เสนใยแกวมความสามารถรบแรงกระแทกไดมากกวาเสนใยอะรามค ประมาณ 70 % แสดงใหเหนวาเสนใยแกวขอเดนในดานการรบแรงกระแทกไดกวาเสนใยอนๆ

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Lo

ad

( N

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000E-glass

Nylon monofilament

Nylon twine

Kevlar

รปท 4.6 กราฟแสดงความสามารถการตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยชนด

ตางๆ ในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal จนชนทดสอบเกดการทะล ตารางท 4.4 คาความหนาแนนเชงพนทและคาการรบแรงสงสดของชนทดสอบในรปแบบการทอแบบ 3-D orthogonal

Sample Areal density (kg/m2) Max load (kN) E-glass 7.5 5.7 Nylon twine 3.9 3.5 Nylon monofilament 3.4 3.0 Kevlar 6.9 3.1

67

จากขอมลคาความหนาแนนเชงพนทในตารางท 4.4 พบ เสนใยเคฟลามคาความหนาแนนเชงพนทสงกวาเสนใยไนลอน แบบ twine ท งทเสนใยท งสองชนดมขนาด เสนผานศนยกลางของมดเสนใยใกลเคยงกน แตการดดซมอพอกซของเสนใยเคฟลาไดดกวาเสนใยไนลอน แบบ twine ซงสงเกตไดจากอตราสวนน าหนกของอพอกซตอเสนใยทอ ทขนาดชนทดสอบ 60x60 มลลเมตร ดงแสดงในตารางท 4.5 จงท าใหมคาความหนาแนนเชงพนทสงกวาเสนใยไนลอน แตส าหรบเสนใย E-glass เนองจากเสนใยมน าหนกมากกวาเสนใยชนดอน จงท าใหมคาความหนาแนนเชงพนทสงสด

ตารางท 4.5 ปรมาณน าหนกของเสนใยทอและอพอกซของชนทดสอบขนาด 60x60 มลลเมตร

Sample Woven fiber (g) Epoxy (g) Composite (g) Epoxy/Fiber E-glass 20.05 6.95 27.00 0.35 Nylon twine 9.14 4.90 14.04 0.54 Nylon monofilament 7.67 4.57 12.24 0.60 Kevlar 14.54 10.30 24.30 0.71

จากผลการทดสอบและขอมลในตารางท 4.4 น ามาเขยนกราฟไดดงรปท

4.7 พบวา ระยะยดของชนทดสอบท 4 มลลเมตร คาแรง (Load) ตอความหนาแนนเชงพนท เรยงตามล าดบไดดงน 1) เสนใย E-glass 2) เสนใยเคฟลา 3) เสนใยไนลอน twine และ 4) เสนใยไนลอน monofilament มเทากบ 0.47, 0.45, 0.35 และ 0.20 kN m2/kg ตามล าดบ ซงพบวาคาของเสนใย E-glass และเสนใย Kevlar มคาใกลเคยงกนและมคามากทสด รองลงมาคอ เสนใยไนลอน twine และเสนใยไนลอน monofilament มคานอยทสด ซงขอมลดงกลาวบงบอกถงความสามารถตานทานตอการเจาะทะลโดยทเสนใย E-glass และเสนใยเคฟลา มความสามารถตานทานตอการเจาะทะลไดดใกลเคยงกนเมอเทยบกบเสนใยไนลอน twine และเสนใยไนลอน monofilament

68

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12

Lo

ad

/ A

real d

en

sit

y (

kN

mm

2/g

)

0.0

.2

.4

.6

.8

1.0

E-glass

Nylon twine

nylon monofilament

Kevlar

รปท 4.7 กราฟแสดงความสมพนธของแรงตอความหนาแนนเชงพนททระยะยดตางๆ

ขอมลจากการทดสอบความสามารถตานทานการเจาะทะลของวสดผสม

ท ามาจากเสนใยชนดตางๆ ไดผลดงแสดงในตารางท 4.6 พบวา วสดผสมทท ามาจากเสนใยไนลอน twine มคาความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะมากกวาเสนใย E-glass ประมาณ 15.56 % และมคามากกวาเสนใยเคฟลาประมาณ 50.00 %

ตารางท 4.6 แสดงคาความตานทานการเจาะทะลจ าเพาะของเสนใยทอเดยว

Sample Specific puncture load (kN m2/kg)

E-glass 0.76 Nylon twine 0.90 Nylon monofilament 0.88 Kevlar 0.45

จากขอมลในรปท 4.6 สามารถค านวณหาคาพลงงานดดซบ โดยวธการ

ค านวณพนทภายใตเสนกราฟระหวางแรงทระยะตางๆ ตามงานวจยของ Changan Ji และคณะ ในป 2007 และน ามาเขยนกราฟไดดงรปท 4.8 พบวา วสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass มคาพลงงานดดซบสงสด เทากบ 39.1 J สวนเสนใยไนลอนทง 2 แบบ และเสนใยเคฟลา มคาพลงงาน

69

ดดซบสงสดใกลเคยงกนอยในชวงประมาณ 21-23 J ดงนนสรปไดวา เสนใย E-glass มคาพลงงานซบมากกวาเสนใยชนดอน อยประมาณ 42.5 %

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

En

erg

y (

J)

0

10

20

30

40

E-glass

Nylon twine

Nylon monofilament

Kevlar

รปท 4.8 กราฟแสดงพลงงานดดซบกบระยะยดของวสดผสมทท ามาจากเสนใยชนดตางๆ

ตารางท 4.7 คาพลงงานดดซบและคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยทอเดยว

Sample Absorbed energy

(J ) Specific absorbed energy

(J m2/kg) E-glass 39.1 5.2 Nylon twine 23.3 6.0 Nylon monofilament 23.2 6.8 Kevlar 21.1 3.1

คาพลงงานดดซบจ าเพาะ (ตารางท 4.7) น ามาเขยนกราฟความสมพนธ

ระหวางพลงงานดดซบจ าเพาะกบความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ ดงรปท 4.10 พบวา วสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine มคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ มคาสงกวา

70

เสนใยไนลอน monofilament และคาพลงดดซบของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอนทงสองชนดมคาใกลเคยงกน แตคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยไนลอน twine กลบมคานอยกวาเสนใยไนลอน monofilament เนองจากเสนใยไนลอน monofilament มน าหนกเบาหรอมคาความหนาแนนเชงพนทนอยกวาเสนใยไนลอน twine ดงนนจงท าใหคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยไนลอน monofilament มคาสงทสด สวนเสนใยเคฟลามคาพลงงานดดซบจ าเพาะและคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะต าทสด

Specific puncture load (kN m2/kg)

0.0 .2 .4 .6 .8 1.0

Sp

ec

ific

ab

so

rb e

ne

rgy (

J m

2/k

g)

0

2

4

6

8E-glass

Nylon twine

Nylon monofilament

Kevlar

รปท 4.9 ความสมพนธระหวางพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทานการเจาะทะล

จ าเพาะของวสดผสมทท ามาจากเสนใยชนดตางๆ

จากรปท 4.9 สามารถสรปไดวา เสนใยไนลอนทงสองแบบมพลงงานดดซบจ าเพาะไดดทสด รองลงเปนเสนใย E-glass สวนเสนใยเคฟลามคาต าทสด ซงเสนใยไนลอนทงสองแบบมคาพลงงานดดซบจ าเพาะมากกวาเสนใย E-glass เปน 28.75 % และมากวาเสนใยเคฟลาประมาณ 51.56 %

4.1.4 การทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม

เสนใยทเลอกในการทอผสานรวมไดแก เสนใย E-glass ทเลอกเนองจากมคณสมบตในการรบแรงตานการเจาะทะลไดด แตเมอมาเปรยบเทยบดวยคาความหนาแนนเชงพนทแลว จะเหนไดวา เสนใยไนลอน twine มคาต าและความตานทานการเจาะทะลด เนองจาก

71

เสนใย E-glass รบแรงไดมากทสด แตมความหนาและน าหนกทมากกวาเสนใยไนลอน twine ในหนวยพนทมคาเทากน สวนเสนใยไนลอน monofilament มคาสมบตทใกลเคยงกบเสนใยไนลอน twine แตมลกษณะผวของเสนใยทเรยบมนจงท าใหกระบวนการทอมความยากล าบาก เนองจากผวทมนท าการจบยดระหวางมดเสนใยในโครงสรางการทอไมแนนและเกดการเลอนไถลของมดเสนใย และเสนใยไนลอน monofilament มความยดหย นสง ในกระบวนการทอจะตองดงเสนใยใหตง แตเมอดงตงแลวเสนใยจะเกดการคลายตวหรอยดตวของเสนใยเมอเวลาผานไป จงท าใหมการจดเรยงตวของเสนใยในกระบวนการทอไดไมด เมอเทยบกบเสนใย E-glass และเสนใยไนลอน twine ในงานวจยนจงไดเลอกเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine มาทอรวมกน สวนกรณทเลอกเสนใยเคฟลามาทอรวมกบเสนใยไนลอน twine เนองจากเสนเคฟลามความสามารถรบแรงตานการเจาะทะลทไมแตกตางกบเสนใยไนลอน twine แมเสนใยเคฟลามคาความยดหยนต ากวาเสนใยไนลอน twine แตลกษณะของเสนใยทเหมอนกน คอ เสนใยเปนแบบมดเสนใยและขนาดของเสนใยใกลเคยงกน อาจจะทอรวมกนและจบยดไดด จงไดมการศกษาเพมเตมในการทอรวมของเสนใยทงสองชนด ดงแสดงลกษณะการทอรวมในตารางท 4.8 ตารางท 4.8 ชนดของเสนใยทมาทอผสานรวมในรปแบบโครงสรางการทอแบบ 3-D orthogonal

การทอผสานรวมระหวางเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine แบบ E+N+N(Z)มความสามารถรบแรงกระแทกไดสงกวาการทอผสานรวมแบบ E+N+E(Z) และแบบ K+N อย 33.60 % ดงแสดงในตารางท 4.9 และรปท 4.10 แตความสามารถในการยดตวของชนทดสอบทระยะการรบแรงสงสดของแบบ E+N+N(Z) มากกวาการแบบ E+N+E(Z) และแบบ K+N อยประมาณ 43.3 % จากงานวจยของ Changan Ji et al., 2007 และ B. K. Behera and Rajesh Mishra., 2008 กลาวไววา การจดเรยงตวของเสนใยในกระบวนการทอเสนใยตามยาวและตามขวางเปนสวนทจะตองมความยดหยนและความแขงแรงสง สวนเสนใยในทศทาง Z เปนตวจบยดเสนใย

Sample Warp (X) Weft (Y) Z yarn Symbol of sample

E-glass & Nylon twine Nylon twine E-glass Nylon twine E+N+N(Z)

E-glass & Nylon twine E-glass Nylon twine E-glass E+N+E(Z)

Nylon twine & Kevlar Nylon twine Kevlar Nylon twine K+N

72

ระหวางเสนใยตามยาวและตามขวาง ดงนน การทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) มเสนใย E-glass มความสามารถในการรบแรงกระแทกไดดอยในเสนใยตามขวาง และเสนใยไนลอน Twine มความสามารถในการยดหยนสงอยเสนใยตามยาวและทศทาง Z จงท าใหมคณสมบตการรบแรงและการยดหยนไดดกวาการทอผสานรวมแบบอนๆ ตารางท 4.9 คาความหนาแนนเชงพนทและคาการรบแรงสงสดของชนทดสอบ

Sample Areal density (kg/m2) Max load (kN) E+N+N(Z) 7.4 4.2 E+N+E(Z) 7.0 3.3

K+N 6.5 3.3

Displacement (mm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Lo

ad (

N)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

E+N+N(Z)

E+N+E(Z)

K+N

รปท 4.10 กราฟแสดงความสามารถการตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจาก

เสนใยทอผสานรวม ตารางท 4.10 คาความตานการเจาะทะลจ าเพาะ พบวา เสนใยทอผสานรวม

แบบ E+N+N(Z)มคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะสงทสด รองลงเปนแบบ K+N สวนการทอผสานรวมแบบ E+N+E(Z) มคาต าสด เนองจากแบบ E+N+E(Z) มคาความหนาแนนเชงพนทมากกวาแบบ K+N เพราะทงสองแบบมคาความสามารถรบแรงสงสดใกลเคยงกน จงท าใหเสนใยทอผสานรวมแบบ K+N มคาความตานการเจาะทะลจ าเพาะมากกวาแบบ E+N+E(Z) อยประมาณ 7.84 %

73

ตารางท 4.10 คาความตานการเจาะทะลจ าเพาะเสนใยทอผสานรวม Sample Specific puncture load (kN m2/kg)

E+N+N(Z) 0.56 E+N+E(Z) 0.47

K+N 0.51

จากขอมลในรปท 4.11 จะเหนไดวา ในชวงระยะยดท 0-6 มลลเมตร เสนใยทอผสานรวมทง 3 แบบ มคาพลงงานดดซบทใกลเคยงกน อาจเนองมาจากเสนใยทอผสานรวมทง 3 แบบ มเสนใยไนลอน twine เปนเสนใยทอรวมท าใหคาพลงงานดดซบไมตางกน แตเมอแรงเพมขนท าใหเสนใยชนดอนทมาทอผสานรวมซงมคณสมบตในการรบแรงกระแทกไดดกวาเสนใยไนลอน twine จงท าใหคาพลงงานมคาแตกตางกน อยางเชน เสนใย E-glass ทมความสามารถรบแรงการเจาะไดด ดงนน ท าใหเสนใยทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) มคาพลงงานดดซบสงสด และมคามากกวา แบบ E+N+E(Z) อย 15.45 % และมากกวาแบบ K+N อย 32.18 %

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12 14

En

erg

y (

J)

0

5

10

15

20

25

30

35

E+N N(Z)

E+N E(Z)

K+N

รปท 4.11 กราฟแสดงพลงงานดดซบกบระยะยดของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม

74

ตารางท 4.11 คาพลงงานดดซบและคาพลงงานดดซบจ าเพาะของเสนใยทอผสานรวม

Sample Absorbed energy (J ) Specific absorbed energy

(J m2/kg) E+N+N(Z) 31.7 4.3 E+N+E(Z) 26.8 3.8

K+N 21.5 3.3

คาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะและคาพลงงานดดซบจ าเพาะในตารางท 4.10 และ 4.11 น าขอมลมาเขยนกราฟไดดงรปท 4.12 พบวา การทอผสานรวมแบบ E+N+E(Z) และแบบ K+N มคาความสามารถในการรบแรงสงสดไดใกลเคยงกน แตเมอมาเปรยบเทยบความสมพนธระหวางคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะกบคาพลงงานดดซบจ าเพาะ พบวา แบบ E+N+E(Z) มความสามารถตานทานการเจาะลไดดกวาการทอผสานรวมแบบ K+N ดงนน จากการทอผสานรวมทง 3 แบบ สามารถสรปไดวา เสนใยททอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) มความสามารถตานทานการเจาะลไดดกวาการทอผสานรวมแบบอนๆ อยประมาณ 13.16-30.30 %

Specific puncture load (kN m2/kg)

0.0 .1 .2 .3 .4 .5 .6

Sp

ecif

ic a

bso

rb e

nerg

y (

J m

2/k

g)

0

1

2

3

4

5

E+N+N(Z)

E+N+E(Z)

K+N

รปท 4.12 ความสมพนธระหวางพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทานการเจาะทะล

ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอผสานรวม

75

4.1.5 เปรยบเทยบผลการทดสอบตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม

การเปรยบเทยบความสามารถในการรบแรงกระแทกสงสดของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอเดยวและทอผสานรวม ในรปท 4.13 พบวา เสนใย E-glass สามารถรบแรงกระแทกไดมากทสด รองลงมาเปนเสนใยทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) ซงเสนใย E-glass สามารถรบแรงไดมากกวาการทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) ประมาณ 25.63 % แตการทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) ความสามารถในยดหยนไดดกวาเสนใย E-glass อยประมาณ 7.4 % ซงคาความหนาแนนเชงพนของเสนใย E-glass กบการทอผสานรวมแบบ E+N+N(Z) มคาใกลเคยงกนและมความแตกตางกนเพยง 1.35 % เนองจากการทอผสานรวมมเสนใยไนลอน twine มาทอรวมซงมคณสมบตความยดหยนสง จงท าใหสามารถยดตวไดดกวาเสนใย E-glass สวนเสนใยเคฟลารบแรงกระแทกนอยกวาการทอผสานรวมแบบ K+N อย 14.05 % และระยะการยดตวของชนทดสอบกนอยกวาการทอผสานรวมแบบ K+N อย 44.60 % เนองจากการทอผสานรวมแบบ K+N มเสนใยไนลอน twine เปนสวนชวยเสรมแรงและการยดตวของชนทดสอบ จากการทดสอบขางตน พบวา เสนใยไนลอน twine มความสามารถตานทานการเจาะทะลไดดกวาเสนใยชนดอนๆ

Displacement (mm)

0 2 4 6 8 10 12

Lo

ad

(N

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000E-glass

Nylon twine

Nylon monofilament

Kevlar

E+N N(Z)

E+N E(Z)

K+N

รปท 4.13 กราฟแสดงการเปรยบเทยบผลการทดสอบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม

76

2D Graph 2

Specific puncture load (kN m2/kg )

0.0 .2 .4 .6 .8 1.0

Sp

ecif

ic a

bso

rb e

nerg

y

(J m

2/k

g )

0

2

4

6

8E-glass

Nylon twine

Nylon monofilament

Kevlar

E+N+N(Z)

E+N+E(Z)

K+N

รปท 4.14 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคาพลงงานดดซบจ าเพาะกบคาความสามารถตานทาน

การเจาะทะลจ าเพาะของวสดผสมทท ามาจากเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสานรวม

จากรปท 4.14 ไดแบงออกเปน 2 กลม โดยจะแบงตามคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะ กลมท 1 มคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะมากกวา 0.75 kN m2/kg ซงในกลมนประกอบดวยเสนใยไนลอนทง 2 แบบ และเสนใย E-glass ซงกลมนมความสามารถตานทานการเจาะทะลไดดทสด สวนกลมท 2 มคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะต ากวา 0.75 kN m2/kg ประกอบดวยเสนใยเคฟลา และเสนใยทอผสานรวมทง 3 แบบ กลมนจะมความสามารถตานการเจาะทะลจ าเพาะต ากวากลมท 1 อยประมาณ 37.2 % และคาพลงงานดดซบจ าเพาะกลมท 2 มคาต ากวากลมท 1 อย 40.83 % ซงจากขอมล พบวา การเลอกเสนใยทมคณสมบตความตานทานการเจาะทะลไดดมาทอผสานรวมกน แตผลทไดกลบพบวาเสนใยทอผสานรวมมคาความสามารถตานทานการเจาะทะลจ าเพาะและคาพลงงานดดซบจ าเพาะต ากวาเสนใยทอแบบเดยว เนองจากการทอผสานรวมเสนใยแตละชนดมสมบตทแตกตางกน ท าใหเสนใยแสดงความสามารถการรบแรงตามแนวแกนเสนใยในโครงสรางการทอ ซงเสนใยทมความแขงแรงหรอมอดลสทต าจะเกดความเสยหายกอน จะสงผลท าใหโครงสรางการทอและการจบยดของมดเสนใยถกท าลาย (X. Wang et al. 2008) จงท าใหความสามารถตานการเจาะทะลลดลง ตางจากเสนใยทอเดยวทสมบตของเสนใยเหมอนกนทงโครงสรางการทอท าใหเสนใยเกดความเสยหายไป

1

2

77

พรอมๆกน ดงนนวสดผสมท ามาจากเสนใยในกลมท 1 จะถกเลอกไปจดเรยงชนของเสนใยทอ เพอทดสอบการยงกระสนจรงตอไป

4.2 การทดสอบความตานทานตอแรงดง (Tensile test)

จากการทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสนใยเดยวชนดตางๆ โดยน ามาทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D3822-01 ดงแสดงผลการทดสอบในรปท 4.15 ผลการทดสอบความสามารถตานทานตอการดงหรอเปลยนรป (เทยบจากคามอดลสของเสนใย) ซงเขยนเรยงล าดบจากมากไปนอยไดดงน 1) เสนใย E-glass 2) เสนใยเคฟลา 3) เสนใยไนลอน แบบ monofilament และ 4) เสนใยไนลอน แบบ twine โดยเสนใยทงหมดมคามอดลสยดหยนเทากบ 6.14, 3.84, 0.95 และ 0.56 GPa ตามล าดบ ดงนน เสนใย E-glass มคาความตานทานตอการเปลยนรปมากทสด รองลงมาเปนเสนใยเคฟลา สวนเสนใยไนลอนทงสองแบบมความสามารถในการยดตวไดดกวาเสนใย E-glass และเสนใยเคฟลา ประมาณ 7 เทา

Tensile strain (%)

0 5 10 15 20 25

Ten

sile s

tress (

MP

a)

0

50

100

150

200

250

E-glass

Kevlar

Nylon twine

Nylon monofilament

รปท 4.15 ผลการทดสอบความตานทานตอแรงดงของเสนใยชนดตางๆ

4.3 การทดสอบความตานทานแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ

ในการทดสอบชนงานจะท าการทดสอบจนกระทงชนทดสอบเกดความเสยหายดวยความเรว 2 mm/min โดยชนทดสอบมขนาดความยาว 20.32 เซนตเมตร กวาง 2.54 เซนตเมตร ผลการทดสอบความสามารถตานทานตอการดงหรอเปลยนรป โดยเทยบจากคามอดลสและ

78

ปวซองสของวสดผสมท ามาจากเสนใยทท าเปนแผนประกบ ซงความหนาและน าหนกไดแสดงในตารางท 4.12

ตารางท 4.12 ความหนาและน าหนกของชนทดสอบ

Samples Thickness (mm) Weight (kg) E-glass (1 Ply) 6.17 42.80x10-3

Nylon twine (2 Plies) 11.25 64.45x10-3

E-glass+Nylon twine (2 Plies)

10.80 40.95x10-3

การทดสอบแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยว ในการหา

คา xE ตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM D 3039/D 3039M – 00 (2006) ระหวางชวงคาความเครยดก าหนดจะใชประโยชนจากสมการเสนตรงโดยคา xE คอ คาความชนของกราฟหรอ

dX

dY เมอท าการลดกราฟใหอยในชวงความเครยดในแนวยาวของชนงานมคาตงแต 0-0.5% จะได

กราฟความสมพนธในลกษณะดงรปท 4.16 จะไดคามอดลสยดหยนในแนวยาวของชนทดสอบ คอ 2.751, 2.766 และ 2.624 GPa เมอน ามาหาคาเฉลย (

averagex,E ) เทากบ 2.714±0.078 GPa

รปท 4.16 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยดของ

วสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยว

79

ส าหรบการหาคาปวซองสแนวแกน XY สามารถใชคาความเครยดทไดจากการ

ทดสอบได ดงสมการท 4.1

allongitudin

lateralxy

ε

εν

(4.1)

โดยกราฟความสมพนธระหวางความเครยดในแนวขวาง (lateral,y) ของชนงาน

ทดสอบกบความเครยดในแนวยาว (longitudinal, x) ของชนงานทดสอบมลกษณะดงรปท 4.17 โดยใชไมโครมเตอรวดการเปลยนแปลงขนาดในแนวขวาง เมอวเคราะหความสมพนธของกราฟจะไดวา xy= 0.43

รปท 4.17 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาว

ของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยว

การทดสอบแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน ในการหาคา xE คอ คาความชนของกราฟหรอ

dX

dY เมอท าการลดกราฟใหอยในชวง

ความเครยดในแนวยาวของชนงานมคาตงแต 0-0.35% จะไดกราฟความสมพนธในลกษณะดงรปท 4.18 จะไดคามอดลสยดหยนในแนวยาวของชนทดสอบ คอ 1.374, 1.369 และ 1.515 GPa เมอน ามาหาคาเฉลยจะได 1.419±0.083 GPa

80

รปท 4.18 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยด

ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน จากกราฟความสมพนธระหวางความเครยดในแนวขวางของชนงานทดสอบกบ

ความเครยดในแนวยาวของชนงานทดสอบมลกษณะดงรปท 4.19 เมอวเคราะหความสมพนธของกราฟจะไดวา xy= 0.47

รปท 4.19 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาว

ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน

81

รปท 4.20 กราฟความสมพนธระหวางคาความเคนและความเครยดแบบลามเนตรวม ของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน

รปท 4.21 กราฟความสมพนธระหวางคาความเครยดในแนวขวางกบคาความเครยดในแนวยาวแบบ

ลามเนตรวมของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน

ทดสอบแรงดงชนทดสอบแบบลามเนตรวมของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน ในการหาคา xE คอ คาความชนของกราฟหรอ

dX

dY เมอท า

การลดกราฟใหอยในชวงความเครยดในแนวยาวของชนงานมคาตงแต 0-0.18% จะไดกราฟ

82

ความสมพนธในลกษณะดงรป 4.20 จะไดคามอดลสยดหยนในแนวยาวของชนทดสอบ คอ 1.943, 1.901 และ 1.859 GPa เมอน ามาหาคาเฉลยจะได 1.901±0.042 GPa

โดยกราฟความสมพนธระหวางความเครยดในแนวขวางของชนงานทดสอบกบความเครยดในแนวยาวของชนงานทดสอบมลกษณะดงรปท 4.21 เมอวเคราะหความสมพนธของกราฟจะไดวา xy= 0.44

จากการทดสอบความตานทานแรงดงของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอทงสามแบบ สงเกตเหนไดวา คามอดลสของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยวมคามากกวาชนทดสอบแบบลามเนตรวมของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine อาจเนองมาจากการขนรปเปนวสดผสมอพอกซถกดดซมเขาไปในระหวางเสนใยไนลอนมากเกนไป ท าใหอพอกซทมาเกาะตวบนเสนใย E-glass นอยลง ท าใหในระหวางการทดสอบไดเกดการแยกชนของชนทดสอบลามเนต จงท าใหเสนใย E-glass เกดการเสยหายเรวขน เหนไดจากคาความเครยดในการทดสอบแรงดงวาชนทดสอบแบบลามเนตรวมของวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine มคานอยกวาวสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass แบบชนเดยว

4.4 การค านวณสมบตทางกลดวยทฤษฏวสดผสมแผนประกบของรปแบบการทอแบบ 3 มต

การประมาณคาสมบตทางกลดวยทฤษฏวสดผสมแผนประกบ สามารถใชในการประมาณคาวสดประกอบทน ามาจดเรยงโดยใชผลจากคณสมบตของวสดในแตละชนแบบชนตอชน ส าหรบของวสดทจะท าการศกษาคอวสดผสมทท าดวยเสนใยทอ และอพอกซ ทจดเรยงดวยเสนใยแนวเดยวแบบ [(0/90)s] โดยใชขอมลสมบตทางกลของแตละสวนประกอบดงตาราง 4.13 ซงเปนคณสมบตของวสดทใชการทดสอบแรงดงและบรษทผจ าหนาย ตารางท 4.13 คาสมบตทางกลของเสนใยและอพอกซเรซน

Sample E (GPa) G (GPa) (kg/m3) E-glass 6.14 2.44 2550 0.26 Nylon twine 0.56 0.22 1130 0.30 Epoxy 0.92 0.34 1270 0.35

โดยการค านวณดวยทฤษฏวสดประกอบแผนประกบเปนวธการค านวณทม

ขนตอนในการท าหลายขนตอนดงแสดงสมการค านวณในสวนของทฤษฏในบทท 2 รวมถงการ

83

ค านวณหาคาความแขงแรงเมอท าการค านวณดวยทฤษฏลามเนชนคลาสสคส าหรบการหาคาสมบตทางกลตามแตละรปแบบจดเรยงตวของเสนใยทอจะไดคาดงตารางท 4.14 ตารางท 4.14 แสดงคา E1 ,E2, G12 , และ 12ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอชนดตางๆ

Sample E1

(GPa) E2

(GPa)

E3

(GPa)

G12

(GPa)

G13

(GPa) G23

(GPa) 12 13 23

E-glass 2.522 2.48 2.48 0.63 0.63 0.63 0.23 0.23 0.36

Nylon twine 0.71 0.70 0.70 0.26 0.26 0.26 0.25 0.25 0.35

4.5 การเปรยบเทยบสมบตทางกลทไดจากการทดสอบกบการค านวณ

คาสมบตทางกลทไดอาจมความคลาดเคลอนจากทฤษฏเนองจากในกระบวนการผลตบางครง อาจมการควบคมการผลตทไมดพอท าใหไมไดวสดทมคาสมบตทางกลตามทค านวณโดยวธการค านวณเพอหาคาความคลาดเคลอนสามารถค านวณไดดงน

%ความคลาดเคลอน = 100X

XX

ncalculatio

ncalculatiotesting

(4.2)

ซงคาสมบตทางกลทไดจากการทดสอบและการผลตชนงานมคาดงตารางท 4.15 ตารางท 4.15 คาสมบตทางกลทไดจากการค านวณทางทฤษฏ การทดสอบ และ % คาความคลาด เคลอน

Samples Ex (GPa)

%error xy %error

calculation testing calculation testing E-glass 2.519 2.714 7.74 0.46 0.43 6.52 Nylon twine (2 Plies) 1.429 1.419 0.70 0.49 0.47 4.08 E-glass+Nylon twine (2 Plies)

1.749 1.901 8.69 0.47 0.45 4.25

จากกการเปรยบเทยบระหวางคาการค านวณกบการทดสอบ พบวา คา Ex และ xy

มคาใกลเคยงกน โดยมคา % ความคลาดเคลอน มคานอยกวา 10 % จงสรปไดวา การค านวณทางทฤษฎมคาไมแตกตางกบผลการทดสอบความตานทานตอแรงดงของวสดผสมเสรมดวยเสนใยทอ

84

บทท 5

สรปผลและขอเสนอแนะ

ส ำหรบงำนวจยนเพอศกษำรปแบบโครงสรำงกำรทอและเสนใยทมคณสมบตตำนทำนกำรเจำะทะลไดด โดยขนรปเปนชนทดสอบวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอ โดยท ำกำรทดสอบควำมตำนทำนตอกำรเจำะทะล และทดสอบควำมตำนทำนตอแรงดงเพอวเครำะหและเปรยบเทยบผลกำรทดสอบ สำมำรถสรปไดดงน 5.1 สรปผล

1. กำรทดสอบควำมตำนทำนกำรเจำะทะล - ควำมเรวในกำรทดสอบมผลตอควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลของ

ชนทดสอบ กลำวคอ ควำมเรวทเพมขนในกำรทดสอบท ำใหชนทดสอบสำมำรถรบแรงกระแทกไดเพมขน เนองมำจำกควำมเรวทสงในกำรทดสอบท ำใหชนทดสอบมเวลำส ำหรบกำรเปลยนแปลงรปนอย จงท ำใหกำรไถลของเสนใยเกดขนไดยำกและเกดแรงตำนภำยใตเสนใย

- โครงสรำงกำรทอแบบ 3-D orthogonal weave มควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลจ ำเพำะไดดกวำโครงสรำงกำรทอแบบ 3-D angle-interlock โดยเฉลยประมำณ 31 % เนองจำกโครงสรำงกำรทอแบบ 3-D angle-interlock มควำมแตกตำงของกำรสลบลำยเสนใยและจ ำนวนชนของมดเสนใยในแนวตำมยำว (แกน X) นอยกวำโครงสรำงกำรทอแบบ 3-D orthogonal weave อยหนงมดเสนใย จงสงผลตอควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลลดลง

-กำรทดสอบของเสนใยทอเดยว พบวำ เสนใย E-glass มควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลภำยใตกำรรบแรงสงสดและพลงงำนดดซบไดดทสด แตเมอวเครำะหผลกบคำควำมหนำแนนเชงพนท พบวำ วสดผสมท ำมำจำกเสนใยไนลอน twine มคำควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลจ ำเพำะสงสด แตคำพลงงำนดดซบจ ำเพำะของเสนใยไนลอน monofilament มคำสงทสด เนองจำกเสนใยไนลอน monofilament มน ำหนกเบำหรอมคำควำมหนำแนนเชงพนทนอยกวำเสนใยไนลอน twine สวนเสนใย E-glass มคำควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลจ ำเพำะและคำพลงงำนดดซบจ ำเพำะรองลงมำ เสนเคฟลำมคำต ำทสด

- กำรทดสอบตำนทำนกำรเจำะทะลของเสนใยทอผสำนรวม เสนใยทเลอกในกำรทอผสำนรวมไดแก เสนใย E-glass และเสนใยไนลอน twine เนองจำกมคณสมบต

85

ตำนกำรเจำะทะลไดด สวนเสนใยไนลอน monofilament มคำสมบตตำนกำรเจำะทะลไดดทสด แตมลกษณะผวของเสนใยทเรยบมนจงท ำใหกำรทอมควำมยำกล ำบำก เนองจำกผวทมนท ำกำรจดยดระหวำงมดเสนใยในโครงสรำงกำรทอไมแนนและเกดกำรเลอนไถลของมดเสนใยจงไมไดเลอกมำทอรวม แตไดท ำกำรเลอกเสนใยเคฟลำ เพรำะวำ เสนใยเปนแบบมดเสนใยและขนำดของเสนใยใกลเคยงกบเสนใยไนลอน twine อำจจะทอรวมและจบยดกนไดด จงไดศกษำเพมเตมในกำรทอรวมของเสนใยทงสองชนด พบวำ กำรทดสอบเสนใยททอผสำนรวมแบบ E+N+N(Z) มควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะลจ ำเพำะไดดกวำกำรทอผสำนรวมแบบอนๆ อยประมำณ 15-32 %

- เปรยบเทยบผลกำรทดสอบตำนทำนกำรเจำะทะลของเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสำนรวม พบวำ เสนใยทอผสำนรวมมคำควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลจ ำเพำะและคำพลงงำนดดซบจ ำเพำะต ำกวำเสนใยทอแบบเดยว อยประมำณ 38.09 %

2. เสนใยแกว (E-glass) ในกำรทดสอบควำมตำนทำนตอแรงดงของเสนใยเดยว มคำมอดลส 6.14 GPa และมคำควำมตำนทำนตอกำรเปลยนรปมำกทสด รองลงมำเปนเสนใยเคฟลำ สวนเสนใยไนลอนทงสองแบบมควำมสำมำรถในกำรยดตวไดดกวำเสนใย E-glass และเสนใยเคฟลำ ประมำณ 7 เทำ

3. กำรทดสอบควำมตำนทำนแรงดงของวสดผสมท ำมำจำกเสนใย พบวำ วสดผสมท ำมำจำกเสนใย E-glass แบบชนเดยว มคำมอดลสยดหยนในแนวยำวของชนทดสอบเทำกบ 2.96 GPa วสดผสมท ำมำจำกเสนใยไนลอน twine แบบลำมเนตจ ำนวน 2 ชน มคำมอดลสยดหยนในแนวยำวของชนทดสอบเทำกบ 1.4 GPa และชนทดสอบแบบลำมเนตรวมของวสดผสมท ำมำจำกเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ ำนวน 2 ช น มคำมอดลสยดหยนในแนวยำวของชนทดสอบ เทำกบ 2.1 GPa

4. กำรเปรยบเทยบสมบตทำงกลทไดจำกกำรทดสอบแรงดงกบกำรค ำนวณทฤษฏลำมเนชน พบวำ กำรค ำนวณทำงทฤษฎมคำไมแตกตำงกบผลกำรทดสอบควำมตำนทำนตอแรงดงของวสดผสมเสรมดวยเสนใย โดยมคำเปอรเซนตควำมคลำดเคลอนนอยกวำ 10 %

จำกกำรศกษำในงำนวจยนรปแบบโครงสรำงกำรทอแบบ 3D orthogonal มควำมสำมำรถในกำรตำนทำนกำรเจำะทะลไดดกวำโครงสรำงกำรทอแบบ 3D angle-interlock และกำรเปรยบเทยบผลระหวำงเสนใยทอเดยวกบเสนใยทอผสำนรวม พบวำเสนใยทอผสำนรวมมควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลต ำกวำเสนใยทอแบบเดยว โดยเสนใยทอเดยวทมควำมสำมรถในกำรรบแรงไดดทสด คอ เสนใย E-glass สวนของเสนใยไนลอนทง 2 แบบ มคำำควำมสำมำรถตำนทำนกำรเจำะทะลจ ำเพำะและคำพลงงำนดดซบจ ำเพำะมำกกวำเสนใยทอชนดอน จงน ำไปสกำรศกษำเบองตนเกยวกบแผนกนกระสน โดยกำรทดสอบกำรยงจะเลอกรปแบบโครงสรำงกำรทอ

86

และเสนใยทมควำมสำมำรถในกำรตำนทำนกำรเจำะทะลไดดไปศกษำ ซงแสดงวธกำรทดสอบและผลกำรทดลองในสวนของภำคผนวก ง.

5.2 ขอเสนอแนะ

1. กระบวนกำรทอเสนใยควรปรบกำรตงใหเหมำะสมส ำหรบเสนใยแตละชนด เชน เสนใยแกวไมควรดงใหตงเกนไปเพรำะเสนใยมควำมเปรำะและขำดงำย สวนเสนใยไนลอนควรปรบควำมตงอยเสมอ เนองจำกเสนใยมควำมยดหยนสง

2. ส ำหรบกำรทอเสนใยแกวในกำรทอดวยมอไมควรทอผนเสนใยใหมขนำดใหญเกนไป เพรำะเสนใยทผนขนำดใหญจะมจ ำนวนครงในกำรยกลำยทมำกจงสงผลท ำใหเสนใยขำดได

3. กระบวนกำรขนรปวสดผสมดวยวธทำมอควรทำอพอกซบนเสนใยทอใหเสมอและไลฟองอำกำศทกครงพยำยำมใหฟองอำกำศนอยทสด เพอไมใหสงผลตอผลกำรทดสอบเพรำะฟองอำกำศอำจท ำใหเกดรอยรำวหรอรอยต ำน (crack) เกดขนในกำรทดสอบได

4. ส ำหรบกำรเตรยมชนทดสอบทตองจดเรยงเสนใยทอหลำยชน ในกำรขนรปวสดผสมอำจจะเกดชองวำงระหวำงชนเสนใยทอและอพอกซไมเกำะตวกบเสนใยทอยภำยในได แสดงดงรปท 5.1 โดยท ำกำรแยกชนของชนทดสอบวสดผสมเสนใยแกวทอจดเรยงซอนกน 3 ชน เพอไมใหเกดชองวำงจะตองใชแรงกดอดเสนใยใหตดกนและมกำรไมแยกชนตลอดจนกวำอพอกซจะแขงตว

รปท 5.1 ภำยในของชนทดสอบวสดผสมเสนใยแกวทอทท ำกำรแยกชนออก

บรเวณทอพอกซไมเกำะตวบนเสยใย

เกดชองวำงระหวำงชนเสนใยทอ

87

บรรณานกรม

วระศกด อดมกจเดชา, วทยาสตรเสนใย. โรงพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย. กรงเทพ. 2542 เตชพทธ ฟกเปยมและสนตสข นนทยกล, 2553. วสดประกอบใยแกวอพอกซในสภาวะอณหภม

ปกต.ปรญญาวศวกรรมศาสตรบณฑต. มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วสดผสมพอลเมอรเสรมแรงเสนใย (Fiber Reinforced Polymer) (ออนไลน). สบคนจาก : http://wuzzlive.com/blog/?p=478 มาตรฐานการทดสอบการยงทระดบตางๆ (ออนไลน). สบคนจาก : http://www.navy.mi.th/navic/document/861206h.html อพอกซเรซน (Epoxy resin) (ออนไลน). สบคนจาก : http://www.pharm.su.ac.th/cheminilife/cms/index.php/ outdoor/epoxy.html Mohammed F. Aly, I. G. M. Goda, and Galal A. Hassan, “Experimental Investigation of the

Dynamic Characteristics of Laminated Composite Beams”, Department of Industrial Engineering, Fayoum University, Fayoum, Egypt, International Journal of Mechanical & Mechatronics. IJMME-IJENS Vol : 10 No: 03 (May 2010).

J.A. Soden, G. Weissenbach, and B.J. Hill, “The design and fabrication of 3D multi-layer woven T-section reinforcements”, Engineering Composites Research Centre, University of Ulster at Jordanstown, Newtownabbey BT37 0QB, UK, Composites: Part A 30(1999) 213–220.

D. Brown, M. Morgan, and R. McIlhagger, “A system for the automatic generation of solid models of woven structures”, Engineering Composites Research Centre, University of Ulster at Jordanstown, Newtownabbey, Co Antrim BT37 0QB, Ireland, Composites Part A 34 (2003) 511–515.

Changgan Ji, Baozhong Sun, Yiping Qiu, and Bohong Gu, “Impact Damage of 3D Orthogonal Woven Composite Circular Plates”, College of Textiles, Donghua University, Shanghai, China 201620, Appl Compos Mater (2007) 14:343–362.

Yehia A. Bahei-El-Din and Mohammed A. Zikry, “Impact-induced deformation fields in 2D and 3D woven composites”, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, North

88

Carolina State University, Raleigh, NC 27695-7910, USA, Composites Science and Technology 63 (2003) 923–942.

L.M. Nunes, S. Paciornik, and J.R. M. d’Almeida, “Evaluation of the damaged area of glass-fiber-reinforced epoxy-matrix composite materials submitted to ballistic impacts”, Materials Science and Metallurgy Department, Pontifıcia Universidade , 22453-900, Rio de Janeiro, RJ Brazil, Composites Science and Technology 64 (2004) 945–954.

J.N. Baucom, M.A. Zikry, and A.M. Rajendran, “Low-velocity impact damage accumulation in woven S2-glass composite systems”, Naval Research Laboratory, Multifunctional Materials Branch, Code 6350, 4555 Overlook Avenue, SW, Washington, DC, 20375, USA, Composites Science and Technology 66 (2006) 1229–1238.

J.N. Baucom and M.A. Zikry, “Low-velocity impact damage progression in woven E-glass composite systems”, Naval Research Laboratory, Multifunctional Materials Branch, Code 6350, 4555 Overlook Avenue, SW, Washington, DC, 20375, USA, Composites: Part A 36 (2005) 658–664.

NIJ Standard–0101.06, “Ballistic Resistance of Body Armor”, Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899–8102, ( July 2008).

M.F. Ashby, “Materials selection in Mechanical Design”, Butterworth Heinemann, Oxford, 2005 L.Tong, A.P. Mouritz and M.K. Bannister, “3D Fibre Reinforced Polymer Composites”, Elsevier

Science Ltd. 2002. Yamamoto T., S . Nishiyama and M. Shinya, “ Study on weaving method for three dimensional

textile structural composites”, Proc. of the 4" Japan Int. SAMPE Symp. Sep 25-28(1995). Ding Y.Q., W. Wenger and R. McIlhagger, “Structural characterization and mechanical

properties of 3-D woven composites”, Proc. of European SAMPE Conf (1993). Gause L.W. and J.W. Alper, “ Structural properties of braided graphitelepoxy Composites”, J.

Comp. Tech. & Res.,( 1987) 9:141-150. Arendts F.J., K. Drechler and J. Brandt, “Advanced textile structural composites status and

outlook”, Proc. of the Int. Conf. on Advanced Composite Materials (1993).

89

David Roylance, “LAMINATED COMPOSITE PLATES”, Department of Materials Science and Engineering Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139,( February , 2000).

W. A. de Morais and J. R. M. d’Almeida “Effect of the Fiber Reinforcement on the Low Energy Impact Behavior of Fabric Reinforced Resin Matrix Composite Materials”, J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng., October-December (2003), Vol. XXV, No. 4 / 325 X. Wang, B. Hu, Y. Feng, F. Liang, J. Mo , J. Xiong and Y. Qiu “Low velocity impact properties

of 3D woven basalt/aramid hybrid composites”, State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, College of Material Science and Engineering, Donghua University, Shanghai, China, Composites Science and Technology 68 (2008) 444–450.

90

ภาคผนวก

91

ภาคผนวก ก. ตารางคาสมบตทางกลตางๆ ทใชอางอง

ตารางท ก.1 คาสมบตทางกลของเสนใยและอพอกซเรซน Sample E (GPa) G (GPa) (kg/m3) E-glass 6.14 2.44 2550 0.26

Nylon twine 0.56 0.22 1130 0.30 Epoxy 0.92 0.34 1270 0.35

ตารางท ก.2 ความหนาและความกวางเฉลยของชนงานแตละชนงานทผลตได

ชนทดสอบ ความกวางเฉลย

(cm) ความหนาเฉลย

(cm) น าหนกชนงานทดสอบ

(g) E-glass 2.54 6.17 42.80

Nylon twine (2 Plies) 2.54 11.25 64.45 E-glass+Nylon twine (2 Plies) 2.54 10.8 40.95

ตารางท ก.3 คาสดสวนของเสนใยและสดสวนของเมทรกซ

ชนทดสอบ การจดเรยง Vf Vm

E-glass - 0.39 0.27 Nylon twine 2 laminate (0/90)2 0.59 0.35

92

ภาคผนวก ข. การค านวณสมบตทางกลดวยทฤษฏ

การประมาณคาสมบตทางกลดวยทฤษฏลามเนชนคลาสสค สามารถใชในการประมาณคาวสดประกอบทนามาจดเรยงโดยใชผลจากคณสมบตของวสดในแตละชนแบบชนตอชน ในกรณของวสดททางกลมเลอกจะท าการศกษาคอวสดประกอบททาดวยเสนใยไนลอน twine และอพอกซ ทจดเรยงดวยเสนใยแนวเดยวแบบ [0/90]2โดยทางกลมไดใชขอมลสมบตทางกลของแตละสวนประกอบจาก ภาคผนวก ก.1 และภาคผนวก ก.2 การค านวณคาสดสวนของเสนใยและสดสวนของเมทรกซ

การค านวณคาสดสวนของเสนใยจะตองค านวณจากตวแปรเพมเตมจากคาคณสมบตของภาคผนวก ก. โดยแสดงตวอยางการคานวณคาสดสวนของเสนใยทอแบบทามอทมการจดเรยงแบบ [(0/90)2]โดยการหาน าหนกกอนการจดเรยงหาไดโดยใชคาขนาดของวสดทผลตดวยวธการผลตแบบทามอจากตารางภาคผนวก ก.2 ดงน

เสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน

น าหนกเสนใย (mf) เทากบ 38.5 g น าหนกเมตรกซ (mm) เทากบ 26.0 g นาหนกของวสดผสม (mc) เทกบ 64.5 g

59.01130.0

1109.89/6.45x103.85x10ρ

ρ/mm

ρ

ρWV 2-2-

f

ctotalf

f

cf

f

35.01270.05

1109.89/6.45x102.60x10ρ

ρ/mm

ρ

ρWV 2-2-

m

ctotalm

f

cm

m

การค านวณหาสมบตทางกลดวยทฤษฏลามเนชนคลาสสค

สมบตการเปลยนแปลงคงทแบบอลาสตกตามแนวแกนวสดผสมโดยใชสมการพนฐานในการค านวณสมบตออลาสตกตามแนวแกนวสดผสมของเสนใยไนลอน แบบ twine (ดงกลาวมาแลวในบทท 2) โดยใชความสมพนธในสมการท 2.27

93

GPa 0.710.59)(0.92)(19)(0.56)(0.5E1

GPa 0.69)0.92)(0.59(0.56(0.92)(0.56)

)0.92)(0.59(0.56(0.92)(0.56)(0.92)EE 32

0.320.59)(0.35)(19)(0.30)(0.5νν 1312

0.310.71)2)(0.92)/((0.35)(0.3(0.35)1

2)/(0.71)(0.32)(0.9(0.35)10.59)(0.35)(19)(0.30)(0.5ν

223

GPa 0.220.3)2(1

0.56

)v2(1

EG

f

ff

GPa 0.340.35)2(1

0.92

)v2(1

EG

m

mm

GPa 0.26)0.34)(0.59(0.220.340.22

)0.34)(0.59(0.220.340.22(0.34)GG 1312

GPa 0.260.31)2(1

0.69G 23

น าคงทอลาสตกตามแนวแกนวสดผสมในขางตน มาค านวณคาอลาสตกของวสด

ผสมท ามาจากเสนใยทอโดยใชความสมพนธจากสมการท 2.28 ซงวสดผสมท ามาจากเสนใยทอ แบบ 3 มต จะมคา E2 จะมคาเทากบ E3 คา 12=13 และคา G12=G13

0.357 714)(0.501)(0. ν

WF

0.714

23ν

UD

.69)2(0.32))(0(10.71

))(0.69(0.321))(0.32)(0.30.310.71(0.32

0.71

1

0.25 714)(0.346)(0. ν

WF

0.714

12ν

UD

)0.690.32(12(0.69))0.71(0.71

)(0.69))(0.32 9)(0.71(0.32)(0.6

0.71

4

GPa 0.714 1.40

1 E

WF

1E

1

UD

)0.690.32(12(0.69))0.71(0.71

))(0.69(0.32 )0.69)0.32 (1 0.71(0.71

0.71

2

WF23

22

WF12

22

2

WF1

22

222

94

GPa 0.262 G

WF

23G

1

UD

2(0.26)

1

0.69

0.321

GPa 0.26 G

WF

12G

1

UD

0.26

1

GPa 0.704 1.421

1 E

WF

3E

1

UD

69)2(0.32))0.(10.69)(0.71(0.71

))(0.69(0.32)0.6931))(0.712(0.32)(0.2(0.32)(1)0.710.31(1

WF23

WF12

WF2

2222

ดงนนในการคาอลาสตกของวสดผสมท ามาจากเสนใยแกว (E-glass) กในท านอง

เดยวกนไนลอน แบบ twine ดงแสดงในตารางท ข.1 ตารางท ข.1 แสดงคา E1 ,E2, G12 , และ 12ของวสดผสมท ามาจากเสนใยทอชนดตางๆ

Sample E1

(GPa) E2

(GPa)

E3

(GPa)

G12

(GPa)

G13

(GPa) G23

(GPa) 12 13 23

E-glass 2.522 2.48 2.48 0.63 0.63 0.63 0.23 0.23 0.36

Nylon twine 0.71 0.70 0.70 0.26 0.26 0.26 0.25 0.25 0.35

คา Stiffness and Compliances Matrices ส าหรบในหนวยเซลลรปแบบ 3 มต ดงตอไปน

[C] คอ stiffness matrix และ [S] คอ compliance matrix โดยท [S] เปนอนเวรส เมตรกซของเมตรกซ [C]

12

31

23

32

23

1

13

2

23

21

12

1

13

1

13

1

1

G100000

0G

10000

00G

1000

000E

1E

νE

ν

000E

νE

1E

ν

000E

νE

νE

1

CS

95

โดยท E1, E2, E3, G12, G13, G23, v12, v13, v23 คอ คายงมอดลส คาอตราสวนปวสซอง และมอดลสเฉอน ของวสดเสนใยไนลอน แบบ twine รปแบบ 3-D orthogonal ตามล าดบ ส าหรบคา transformation matrix [T] มดงน

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

)mlm2(l)nln2(l)nmn2(mn2nm2ml2l

m2ln2ln2mnml

m2ln2ln2mnml

m2ln2ln2mnml

T

212112211221312121

313113311331313131

233223322332323232

333333

2

3

2

3

2

3

222222

2

2

2

2

2

2

111111

2

1

2

1

2

1

ε

โดย 1,2,3)(i z)cos(i,n y),cos(i,m x),cos(i,l iii คา Transformed compliance matrix คอ S

T STS1

ส าหรบเสนใยตามยาวในหนวยเซลล จะไดวา 11 SS ส าหรบเสนใยตามขวาง คา Transformed compliance matrix จะไดวา 21

1

22 TSTS

โดยท [T2] มคา l1=0, l2=-1, l3=0, m1=1, m2=0, m3=0, n1=0, n2=0, n3=1 ส าหรบเสนใยตามแกน Z คา Transformed compliance matrix จะไดวา 31

1

33 TSTS

โดยท [T3] มคา l1=0, l2=0, l3=1, m1=0, m2=1, m3=0, n1=-1, n2=0, n3=0 คา Transformed compliance matrix รวมทงหมด

ii

1

isitotal

T STΣS

96

202000

000000

020000

000100

000001

000010

][T

3.84600000

03.8460000

003.840000

0001.420.500.4346

0000.501.420.346

0000.3460.3461.40

[S]S

2

11

002-000

02-0000

200000

000001

000010

000100

][T 3

21

1

22 TSTS

3.84600000

000000

000000

0001.4200

000000.346

00000.3460

S2

97

31

1

33 TSTS

000000

03.8460000

000000

000000.346

00001.420

0000.34600

S3

321 SSSS

692.700000

0692.70000

0084.3000

00084.250.0692.0

00050.084.2692.0

000692.0692.040.1

S

0.13000000

00.1300000

000.260000

0000.4520.1520.299

0000.1520.4520.299

0000.2990.2991.009

SC1

2

และส าหรบคา C ของเสนใย E-glass แบบ 3-D orthogonal ค านวณในท านองเดยวกบเสนใยไนลอน แบบ twine ไดคาดงน

0.3200000

00.320000

000.91000

0001.550.500.94

0000.501.550.94

0000.940.943.39

SC1

2

ไนลอน แบบ twine

เสนใย E-glass

98

Zk1= 0.77 Zk1-1= -5.4

Zk2=5.4 Zk2-1= 0.77

N

1k

N

1k

krs1kkrsrs tC]Z[ZCA

19.74.630.306.170.940.77-5.4C(-54.4)-0.77CA

25.594.631.016.173.39A

0.775.4C5.4)(0.77CA

2

12

1

122112

11

2

11

1

1111

A

วธการค านาณ A23 A22 A44 และ A55 ในท านองเดยวกบ A11 จะไดวา

2.5800000

02.580000

006.82000

00011.653.787.19

0003.7811.657.19

0007.197.1925.59

A

kN/mm หรอ GPa*mm

ในกรณทวสดเปนวสดจดเรยงแบบสมมาตร คาความสมพนธของความเครยดในระนาบอางองสมพนธกบภาระทกระท าตอชนงานแสดงมคาดงน

s

y

x

sssysx

ysyyyx

xsxyxx

0

s

0

y

0

x

N

N

N

aaa

aaa

aaa

γ

ε

ε

เมอ [a ] =[A ]-1 โดยท [ a] เปนอนเวรสเมทรกซของเมทรกซ [A ] ดงสมการ

sssysx

ysyyyx

xsxyxx

1

aaa

aaa

aaa

AadjAdet

1A

Z0

6.17

4.63

E-glass

Nylon

99

ดงนน

186.40000

0186.40000

00583.1000

000160.10186.00247.0

0000196.0107.00247.0

0000247.00247.0053.0

1

Aa

(kN/mm)-1

ในการหาสมบตทางกลของลามเนตจากสมการและสาหรบลามเนตทสมมาตร

สามารถหาคาสมบตทางกลไดดงน ,ha

1E,

ha

1E

yy

y

xx

x yy

xsyx

xx

ys

xya

aν,

a

aν

โดยคา h (ความหนาของลามเนต) = 10.8 mm

GPa 0.8607)(10.8)(0.1

1

ha

1EE

GPa 1.7553)(10.8)(0.0

1

ha

1E

yy

zy

xx

x

18.0107.0

0196.0

0.230.107

0.0247

a

aν

0.470.053

0.0247

a

aν

yz

zz

xs

xz

xx

ys

xy

yy

yz

a

a

ตารางท ข.1 แสดงคามอดลสและสดสวนปวสซองของวสดผสมเสนใยแบบตางๆจากค านวณ

Sample Ex

(GPa) Ey

(GPa)

Ez

(GPa)

xy xz yz

E-glass 2.52 1.24 01.24 0.46 0.23 0.21

Nylon twine (2 Plies) 1.49 0.70 0.70 0.49 0.24 0.17

E-glass+Nylon twine (2 Plies)

1.75 0.86 0.86 0.47 0.23 0.18

100

ภาคผนวก ค. ผลการทดสอบแรงดงของวสดผสม

- วสดผสมท ามาจากเสนใยแกวชนเดยว (E-glass) ขนาดความยาว 20.32 cm กวาง 2.54 cm และหนา 0.617 cm ซงมระยะการยดตว

ในแกน X วดดานจากเครองทดสอบแรงดง และระยะยบในแนวแกน Y วดดวยไมโครมเตอร มคาดงตารางท ค.1 โดยท าการวดเมอ strain X ยดไปทกๆ 1% แลววดคาระยะแกน Y และน ามาค านวณระยะทเปลยนไปในแนวแกน Z

ตารางท ค.1 ระยะทเปลยนไปเนองจากแรงดงของเสนใยแกวชนเดยว (E-glass) Extension X

(cm) Strain X Extension Y

(cm) Strain Y Extension Z

(cm) Strain Z

0.02032 0.0010 -0.00127 -0.00045 -0.000258 -0.00040 0.04064 0.0020 -0.00305 -0.001 -0.000425 -0.00070 0.06096 0.0030 0.00457 -0.0015 -0.000676 -0.00110 0.08128 0.0040 -0.00635 -0.0018 -0.000861 -0.00140 0.10160 0.0050 -0.00889 -0.0022 -0.000857 -0.00135

(a)

101

(b)

รปท ค.1 กราฟความสมพนธระหวาง Strain Z กบ Strain X (a) และ Strain Z กบ Strain Y (b) ของวสดผสมท ามาจากเสนใยแกว (E-glass) แบบชนเดยว

- วสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน

ขนาดความยาว 20.32 cm กวาง 2.54 cm และหนา 0.563 cm ซงมระยะการยดตวในแกน X วดดานจากเครองทดสอบแรงดง และระยะยบในแนวแกน Y วดดวยไมโครมเตอร มคาดงตารางท ค.2 โดยท าการวดเมอ strain X ยดไปทกๆ 1% แลววดคาระยะแกน Y และน ามาค านวณระยะทเปลยนไปในแนวแกน Z ตารางท ค.2 ระยะทเปลยนไปเนองจากแรงดงของเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน Extension X

(cm) Strain X Extension Y

(cm) Strain Y Extension Z

(cm) Strain Z

0.02032 0.0010 -0.00127 -0.00050 -0.000281 -0.00050 0.04064 0.0020 -0.00305 -0.0010 -0.000448 -0.00080 0.06096 0.0030 -0.00457 -0.0016 -0.000672 -0.00119 0.08128 0.0040 -0.00559 -0.0021 -0.001006 -0.00179 0.10160 0.0050 -0.00762 -0.0023 -0.001153 -0.00198

102

(a)

(b)

รปท ค.2 กราฟความสมพนธระหวาง Strain Z กบ Strain X (a) และ Strain Z กบ Strain Y (b) ของวสดผสมท ามาจากเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน

- วสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน

ขนาดความยาว 20.32 cm กวาง 2.54 cm และหนา 1.08 cm ซงมระยะการยดตวในแกน X วดดานจากเครองทดสอบแรงดง และระยะยบในแนวแกน Y วดดวยไมโครมเตอร มคาดงตารางท ค.3 โดยท าการวดเมอ strain X ยดไปทกๆ 1% แลววดคาระยะแกน Y และน ามาค านวณระยะทเปลยนไปในแนวแกน Z

103

ตารางท ค.3 ระยะทเปลยนไปเนองจากแรงดงของเสนใยไนลอน twine แบบลามเนตจ านวน 2 ชน Extension X

(cm) Strain X Extension Y

(cm) Strain Y Extension Z

(cm) Strain Z

0.02032 0.0010 -0.00127 -0.0005 -0.00054 -0.00050 0.04064 0.0020 -0.00216 -0.0011 -0.00124 -0.00115 0.06096 0.0030 -0.00305 -0.0015 -0.00194 -0.00180 0.08128 0.0040 -0.00533 -0.0020 -0.00204 -0.00189 0.10160 0.0050 -0.00711 -0.0023 -0.00336 -0.00218

(a)

(b)

รปท ค.3 กราฟความสมพนธระหวาง Strain Z กบ Strain X (a) และ Strain Z กบ Strain Y (b)วสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass กบเสนใยไนลอน twine จ านวน 2 ชน

104

ตารางท ค.4 คาสมบตทางกลทไดจากการค านวณทางทฤษฏ การทดสอบ และ% คาความคลาดเคลอน

Samples yz %error

xz %error calculation testing calculation testing

E-glass 0.21 0.30 42.85 0.23 0.20 13.04 Nylon twine 2

laminate 0.17 0.20 17.64 0.24 0.26 8.33

2 Laminate of E-glass+Nylon

twine 0.18 0.23 27.78 0.23 0.22 4.34

105

ภาคผนวก ง. การทดสอบการยงดวยกระสนในระดบ 3A

1. การทดสอบการยงดวยกระสนจรง การทดสอบการยงตวปนหางจากชนทดสอบและกระบะดนเปนระยะหาง 5 เมตร โดยมตวตรวจจบความเรวกระสนตวท 1 (Start Sensor Set) หางจากตวปน 2 เมตร และอยหางจากตวตรวจจบความเรวกระสนตวท 2 (Stop Sensor Set) เปนระยะ 1.5 เมตร แสดงดงรปท ง.1 ซงกระสนทใชทดสอบกระสน .44 Mag. น าหนกหวกระสน 240 gr (15.6 g) และความเรว 1400 f/s (436 m/s) ตามมาตรฐาน NIJ โดยทดสอบในระดบ 3A กระสนจะตองไมทะลและมรอยผดรปหรอรอยยบตวของดนไมเกน 44 มลลเมตร

1 25

2 1.5

(NIJ STANDARD–0101.04)

รปท ง.1 ชดทดสอบการยงดวยกระสนจรง

106

2. จดเรยงชนเสนใยและชนเสนใยทขนรปเปนวสดผสม วสดเสนใยทมสมบตทนแรงดงสงมาทอขนรปเปนผนอยางแนนหนาและ

น ามาเรยงซอนกนเปนชนๆ โดยแผนเสนใยทอแบบ 3 มต แตละผนจะวางสลบแนวกนใหเสนใยท ามม [(0/90)S] องศา ดงแสดงในรปท ง.2 ซงเสนใยสน าเงนเปนเสนใยตามแนวแกนตามยาว เสนใยสแดงเปนเสนใยตามแนวแกนตามขวาง และเสนใยสเหลองเปนเสนใยตามแนวแกน Z เพอเพมความแขงแรง และความยดหยน (flexible) เมอกระสนปนพงชนชนทดสอบ พลงงานหรอแรงกระแทกของกระสนปนจะถกดดซบและกระจายออกไปตามแนวเสนใยในชนตางๆ เปนผลใหหวกระสนสญเสยพลงงานจนกระทงลกกระสนหยดการเคลอนทในทสด และรปแบบการจดเรยงชนของเสนใยทอแบบ 3-D orthogonal แสดงในรปท ง.3

รปท ง.2 รปแบบการจดเรยงชนของเสนใยทอแบบ 3-D orthogonal [(0/90)2]

แบบท 1 [(0/90)4] E-glass

E-glass

E-glass E-glass

ชนท 1

ชนท 2

Y X

Z

107

แบบท 2 [(0/90)5]

Nylon twine Nylon twine Nylon twine Nylon twine Nylon twine

แบบท 3 [(0/905)]

Nylon twine E-glass

Nylon twine E-glass

Nylon twine แบบท 4 [(0/90)5]

E-glass Nylon twine

Kevlar

Nylon twine E-glass

รปท ง.3 รปแบบการจดเรยงเสนใยทง 4 แบบ

108

3. ผลการทดสอบการยง 3.1 การทดสอบการยงในระดบ 3A ชนทดสอบขนาด 10x10 เซนตเมตร

ชนทดสอบในการทดสอบการยงในระดบ 3A ชดท 1 ของชนทดสอบทง 4 แบบ พบวา ชนทดสอบแบบท 4 สามารถตานทานการยงในระดบ 3A สวนชนทดสอบแบบท 1, 2 และ 3 ไมสามารถตานทานการยงได รอยผดรปของดนของชนทดสอบแบบท 1 และ4 สามารถวดคาไดดงแสดงในตารางท ง.1 และลกษณะรอยยบของดนแสดงดงรปท ง.4 ซงชนทดสอบแบบท 1 ทมรอยทะลเปนรเลกๆเกดจากการทะลผานของเศษลกกระสน และสามารถวดรอยบมได แสดงวาชนทดสอบสามารถตานทานการยงไดในระดบหนง แตอาจจะสามารถตานทานการยงไดเพมขน โดยการเพมจ านวนชนของเสนใยในมากขนกวาเดม ตารางท ง.1 ผลการทดสอบการยงของชนเสนใยในรปแบบตางๆ

นดท แบบชนของเสนใย

น าหนกของชนทดสอบ

(kg)

ชนดกระสน

ความเรวของกระสน

(m/s)

การทะล รอยผดรป(ระยะยบตว)

ของดน (mm)

1 - - .44 Mag 441.15 - -

2 แบบท 1 0.27 .44 Mag 438.15 ทะล 35.3

3 แบบท 2 0.25 .44 Mag 470.12 ทะล -

4 แบบท 3 0.30 .44 Mag 472.80 ทะล -

5 แบบท 4 0.36 .44 Mag 441.80 ไมทะล 28.5

109

(แบบท 1) (แบบท 2)

(แบบท 3) (แบบท 4) รปท ง.4 รอยยบของดนแบบท 1 แบบท 2 แบบท 3 และแบบท 4

จากตารางท ง.1 ความเรวของกระสนของชนทดสอบแบบท 2 และแบบท

3 สงกวาชนทดสอบแบบท 1 และแบบท 4 ซงอาจท าใหชนทดสอบเกดความเสยหายสง แตเมอสงเกตจากรปท ง.4 ชนทดสอบแบบท 1 กระสนทะลผาน แตรอยบมของดนสามารถวดคาได ซงมความเรวทต ากวาชนทดสอบแบบท 2 อยประมาณ 32 m/s แตรอยบมของดนของชนทดสอบแบบท 2 มความลกมากกวา 44 มลลเมตร เมอสงเกตจากกระบะดนแลวจะเหนไดวา ชนทดสอบแบบท 2 และแบบท 3 ไมสามารถตานกระสนไดเลย เพราะรทกระสนออกไปปะทะกบกระบะดนมความกวางมาก ซงตางจากชนทดสอบแบบท 1 ทกระสนไมทะลผานชนทดสอบโดยหวกระสนยงตดอยดานหลงชนทดสอบท าใหเกดรขนาดเลกทกระบะดนมความกวางประมาณ 25 มลลเมตร ทเกดจากเศษสะเกดของกระสน

ชนทดสอบในการทดสอบการยงในระดบ 3A ชดท 2 มชนทดสอบทงหมด 3 แบบ โดยชนทดสอบมขนาด 10x10 cm มดงน 1)แบบท 5 เปนเสนใย E-glass ทอแบบ 3-D orthogonal จดเรยงซอนกน 6 ชน ไมขนรปเปนวสดผสม 2)แบบท 6 เปนวสดผสมท ามาจากเสนใยเคฟลาทอแบบ 3-D orthogonal จดเรยงซอนกน 3 ชน และ3)แบบท 7 เปนวสดผสมท ามาจาก

110

เสนใย E-glass ทอแบบ 3-D orthogonal จดเรยงซอนกน 3 ชน มาประกบกบแผนอะลมเนยม (A356) โดยแผนอะลมเนยมมความหนา 10 มลลเมตร ดงแสดงทรปท ง.5 ง.6 และง.7 ตามล าดบ ซงแตละแผนจะวางสลบกนใหเสนใยท ามม [(0/90)S] องศา เชนเดยวกบการทดสอบในชดท 1

รปท ง.5 เสนใย E-glass จดเรยงซอนกน 6 ชน ไมขนรปเปนวสดผสม (เสนใยทอแบบ 3-D orthogonal วางซอนกนเปนชนๆ : แบบท 5)

รปท ง.6 วสดผสมท ามาจากเสนใยเคฟลาจดเรยงซอนกน 3 ชน(แบบท 6)

111

รปท ง.7 วสดผสมท ามาจากเสนใย E-glass จดเรยงซอนกน 3 ชน มาประกบกบอะลมเนยม A356 (แบบท 7)

ผลการทดสอบการยงของชนทดสอบทง 3 แบบ พบวา แบบท 7 กระสนยงไมทะลและไมเกดรอยผดรปของดน แตชนทดสอบแบบอนๆ กระสนยงทะล ดงแสดงผลการทดสอบในตารางท ง.2 และความเสยของรอยผดรปของดนดงแสดงรปท ง.8 จากชนทดสอบแบบท 1 จดเรยงชนของเสนใย E-glass ตานทานการยงไดในระดบ เพอลดแรงปะทะของกระสนทมากระท าตอเสนใยโดยตรง จงไดน าแผนอะลมเนยมมาประกบกบเสนใย E-glass เพอศกษาวาชนทดสอบสามารถตานการยงได ตารางท ง.2 ผลการทดสอบการยงในระดบ 3A ทชนทดสอบขนาด 10x10 เซนตเมตร

ชนทดสอบ น าหนกของชนทดสอบ

(kg)

ชนดกระสน

ความเรวของกระสน (m/s)

การทะล รอยผดรป(ระยะยบตว)

ของดน (mm)

- - .44 Mag 441.15 - -

แบบท 5 0.28 .44 Mag 438.15 ทะล -

แบบท 6 0.24 .44 Mag 470.12 ทะล -

แบบท 7 0.48 .44 Mag 472.80 ไมทะล 0

A365

E-glass

112

ผลของชนทดสอบแบบท 1 จดเรยงชนของเสนใย E-glass ตานทานการยงไดในระดบ เพอลดแรงปะทะของกระสนทมากระท าตอเสนใยโดยตรง จงไดน าแผนอะลมเนยมมาประกบกบเสนใย E-glass เพอศกษาวาชนทดสอบสามารถตานการยงได แตทไมไดเลอกแบบท 4 มาประกบกบแผนอะลมเนยม เนองจากจะตองใชเสนใยเคฟลามไมพอส าหรบการทอและแบบท 4 สามารถตานทานการยงไดอยแลว ถามาประกบกบแผนอะลมเนยมท าใหน าหนกของชนทดสอบเพมขน ซงแบบท 4 มน าหนกมากกวาแบบท 1 อยประมาณ 25 % จงไมไดเลอกมาศกษา

รปท ง.8 รอยยบของดน แบบท 5 แบบท 6 และแบบท 7

แบบท 5

แบบท 6

แบบท 7

113

ชนทดสอบในการทดสอบการยงในระดบ 3A ชดท 1 มรอยความเสยหายของชนทดสอบหลงการยงทงดานหนาและดานหลงของชนทดสอบ ดงแสดงตารางท ง.3 พบวา พนทความเสยหายบรเวณดานหนาของชนทดสอบในแบบท 4 และแบบท 1 พนทความเสยหายมคาใกลเคยงกน ในสวนพนความเสยหายบรเวณดานหลงของชนทดสอบ พบวา แบบท 1 มพนทความเสยหายนอยทสด เนองมาจากชนทดสอบเกดการแยกชนของแผนเสนใยและชนทดสอบทะล จงท าใหรอยเสยหายทดานหลงเกดขนไดนอย ซงตางจากแบบท 4 ทชนทดสอบไมทะลท าใหรอยพนทความเสยเกดเปนวงกวางและมคามากทสด ซงแรงและพลงงานของกระสนถกกระจายไปตามเสนใยทอยภายในชนทดสอบ แตเมอเปรยบเทยบพนทความเสยหายบรเวณดานหลงในแบบท 4 มความเสยหายมากกวาแบบท 1 อยประมาณ 2 เทา พบวา ในแบบท 4 มความสามารถตานกระสนในระดบ 3A ไดดทสด ตารางท ง.3 รศมและพนทของรอยเสยหายทเกดขนหลงการยง ชดท 1

แบบชนของเสนใย รศม (cm) พนท (cm2)

ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง แบบท 1 1.25 1.67 4.91 8.76 แบบท 2 1.70 2.11 9.08 13.99 แบบท 3 1.33 2.19 5.31 15.08 แบบท 4 1.23 2.48 4.75 19.32

ชนทดสอบในการทดสอบการยงในระดบ 3A ชดท 2 มรอยความเสยหาย

ของชนทดสอบหลงการยงทงดานหนาและดานหลงของชนทดสอบ ดงแสดงตารางท ง.4 พบวา ชนทดสอบแบบท 6 มพนทเสยหายดานหนานอยทสด สวนดานหลงชนทดสอบแบบท 7 ทมอะลมเนยม A356ประกบกบเสนใย E-glass 3 ชน พนทเสยหายมากทสดและมคามากกวาชนทดสอบแบบอนๆ โดยเฉลยประมาณ 36.27 % ตารางท ง.4 รศมและพนทของรอยเสยหายทเกดขนหลงการยง ชดท 2

แบบชนของเสนใย รศม (cm) พนท (cm2)

ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง แบบท 5 1.35 1.85 5.73 10.75 แบบท 6 0.43 2.25 0.58 15.90 แบบท 7 1.10 2.58 3.80 20.91

114

การหาคาเสนผานศนยกลางหลก (Major Feret diameter : Fmax) กบเสนผานศนยกลางรอง (Minor Feret diameter : Fmin) แสดงในรปท ง.9 อตราสวนระหวางเสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรอง ดงสมการ 4.3

รปท ง.9 ขนาดและการก าหนดทศทางลกษณะของรอยความเสยหาย

maxminFFRatioFeret (4.3)

ซงคา Feret ratio เปนการวดพนฐานส าหรบบรเวณทเสนใยเกดการยดตวออก จะบงบอกถงการเปนไอไซทรอปกของชนทดสอบ เมอ Feret ratio มคาเขาใกล 1 และถามคาเปน 0 แสดงวาวสดมความแขงแรงและยดตวออกไปในทศทางเดยว [L.M. Nunes et al. 2004] ดงแสดงในตารางท ง.5 ตารางท ง.5 เสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรองและอตราสวนเสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรอง (ดานหนา:FS และดานหลง:RS) ชนทดสอบขนาด 10x10 เซนตเมตร

แบบชนของเสนใย Fmin (cm) Fmax (cm) Feret ratio

ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง แบบท 1 1.63 2.98 2.03 3.51 0.81 0.85 แบบท 2 3.31 5.73 3.80 6.82 0.87 0.84 แบบท 3 2.66 5.49 2.83 5.56 0.94 0.99 แบบท 4 2.79 3.92 3.15 4.87 0.89 0.81 แบบท 5 0.86 3.93 0.88 4.93 0.97 0.88 แบบท 6 1.91 3.14 2.01 4.21 0.95 0.75 แบบท 7 2.20 5.29 2.20 5.47 1.00 0.97

115

ขอมลในตารางท ง.5 พบวา ชนทดสอบทงหมดเปนไอโซทรอปกและชนทดสอบแบบท 3 และชนทดสอบแบบท 7 ทมอะลมเนยม A356 ประกบกบเสนใย E-glass เรยงซอนกน 3 ชน มความเปนไอโซทรอปกมากทสด สวนชนทดสอบเสนใยเคฟลา เรยงซอนกน 3 ชน มความเปนไอโซทรอปกต าสด ซงความเปนไอโซทรอปกจะบอกความสามารถในการกระจายแรงและดดซบพลงานของชนทดสอบไปในทกทศทาง และชนทดสอบแบบท 7 มคาเปอรเซนตความแตกตางของอตราสวนเสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรองระหวางดานหนาและดานหลง อยประมาณ 3.45 % ซงคาเปอรเซนตความแตกตางนอยกวาแบบอน

3.2 เปรยบเทยบชนทดสอบทยงไมทะล ขนาด 10x10 เซนตเมตร

จากทดสอบการยงชนทดสอบทไมทะล คอ ชนทดสอบแบบท 4 และแบบท 7 พบวา คาความหนาแนนเชงพนทของชนทดสอบแบบท 4 มนอยกวาชนทดสอบแบบท 7 อยประมาณ 25 % และพนความเสยจากการยงดานหนาชนทดสอบแบบท 7 มนอยกวาชนชนทดสอบแบบท 4 อยประมาณ 20 % สวนดานหลงชนทดสอบแบบท 4 มนอยกวาชนทดสอบแบบท 7 อยประมาณ 58 % ดงแสดงในตารางท ง.6 และรปท ง.10

รปท ง.10 รอยพนทความเสยหายดานหนาและดานหลงของชนทดสอบแบบท 4 (A) และชนทดสอบแบบท 7 (B)

หนา A หลง A

หนา B หลง B

116

ตารางท ง.6 รศมและพนทของรอยเสยหายทเกดขนหลงการยงของชนทดสอบทไมทะล

แบบชนของเสนใย รศม (cm) พนท (cm2) ความหนาแนน

เชงพนท (kg/m2) ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง แบบท 4 1.23 2.48 4.75 19.32 36 แบบท 7 1.10 2.58 3.80 20.91 48

ชนทดสอบทยงไมทะลในชนทดสอบแบบท 4 จะมน าหนกทเบาและพนความเสยหายดนหลงทนอยกวาชนทดสอบแบบท 7 และดดซบพลงงานของลกกระสนทมากระท าเทากบ 1522.46 J แตส าหรบในการกระจายแรงชนทดสอบแบบท 7 ดดซบพลงงานของลกกระสนทมากระท าเทากบ 1,737.72 J แตไมเกดรอยผดรปของดนตางจากชนทดสอบแบบท 4 ทมรอยผดรปของดน เทากบ 28.5 มลลเมตร ถาน าไปใชงานส าหรบเสอเกราะกนกระสนชนทดสอบแบบท 7 จะสงผลกระทบตองผวหนงมนษยนอยกวาชนทดสอบแบบท 4 เพราะแรงทมากระท าไดกระจายตวไปบนชนทดสอบจงท าใหเกดพนทเสยหายทกวางกวาชนทดสอบแบบท 4 แตชนทดสอบแบบท 7 มน าหนกมาก อาจจะปรบลดน าหนกของชนทดสอบโดยการลดขนาดความหนาของแผนอะลมเนยม A356 ทมาประกบใหเหมาะสม และเพมปรมาณชนเสนใยมาทดแทน

3.3 การทดสอบการยงในระดบ 3A ชนทดสอบมขนาด 12x12 นว

น าเสนใย E-glass ทอแบบ 3D Orthogonal มาจดเรยงกน5 ชน มความหนาประมาณ 2.45 เซนตเมตร แสดงในรปท ง.11 มน าหนกรวมทงหมด 2.58 กโลกรม และมคาความหนาแนนเชงพนท (Areal density) เทากบ 27.77 kg/m2 ซงทดสอบการยงดวยกระสน .44 Mag จ านวน 5 นด บนชนทดสอบและก าหนดเปาในการยง ดงรปท ง.12

รปท ง.11 เสนใย E-glass ทอแบบ 3D Orthogonal มาจดเรยงกน 5 ชน

117

รปท ง.12 ก าหนดเปากระสนทจะยงบนชนทดสอบ

หลงจากทดสอบการยงกระสนทต าแหนงท 1, 2 และ 5 กระสนไมทะล แตต าแหนงท 3 และ 4 เกดการทะล ดงรปท ง.13 และจากรปท ง.14 สามารถวดรอยบมลกของดนทกระสนทไมทะลและความเรวของกระสนในตารางท ง.7

รปท ง.13 รอยการยงบนชนทดสอบและรอยบมบนกระบะดน

118

รปท ง.14 รอยผดรป (ระยะยบตว) ของดน

รอยผดรปของดนในตารางท ง.7 ความเรวของกระสนเฉลยเทากบ 438.58 เมตร/วนาท น าหนกลกกระสน 15.6 กรม และพลงงานของกระสนมคา เทากบ 1,500.35 J ต าแหนงกระสนนดท 5 มรอยผดรปของดนนอยทสด รองลงมาเปนต าแหนงกระสนนดท 1 และ 2 แตเมอเปรยบเทยบรอยผดรปของดนระหวางต าแหนงกระสนนดท 5 กบ 1 จะไดวานดท 5 มรอยผดรปนอยกวานดท 1 อยประมาณ 11.69 % เหตผลทท าใหต าแหนงกระสดนดท 5 มรอยผดรปของดนนอยอาจเนองมาจากเปนต าแหนงตวกลางของชนทดสอบ ท าใหมพนทในการกระจายแรงออกบรเวณดานขางไดมากกวาต าแหนงอนๆ สวนต าแหนงกระสนนดท 3 และ 4 ทกระสนเจาะทะล แตต าแหนงนดท 4 กระสนไมทะลผานชนทดสอบยงตดอยทดานหลงชนทดสอบ เหตผลทท าใหกระสนทะลผาน เพราะวากระบวนการทอเสนใยดวยมออาจท าใหเกดขอพลาดได จงท าใหมดเสนใยบางสวนททอสานกนไมแนนและเกดชองวางระหวางเสนใยได และเนองจากเสนใย E-glass ความเปราะ ซงการทอในแตละครงมพนทการทอขนาด 1x2 ฟต ซงมขนาดใหญเกนไปจงท าใหเสนใยบางสวนเกดการเสยดสและตงมากท าใหเกดการขาดของเสนใย และจากการขนรปเปนวสดผสมอาจมชองวางหรอฟองอากาศภายในชนทดสอบซงเกดอยระหวางชนของเสนใย

1 2

3 4

5

119

ตารางท ง.7 ผลการทดสอบการยงในระดบ 3A ทชนทดสอบขนาด 12x12 นว

นดท ชนดกระสน ความเรวกระสน (m/s)

การทะล รอยผดรป (ระยะยบตว)ของดน

(mm)

1 .44 Mag 440.46 ไมทะล 16.30

2 .44 Mag 436.94 ไมทะล 19.30

3 .44 Mag 437.09 ทะล -

4 .44 Mag 439.20 ทะล -

5 .44 Mag 439.20 ไมทะล 14.35

ตารางท ง.8 รศมและพนทของรอยเสยหายทเกดขนหลงการยง

นดท รศม (cm) พนท (cm2)

ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง 1 1.61 2.97 8.14 27.71 2 1.32 3.34 5.47 35.05 3 1.34 2.73 5.64 23.41 4 1.38 2.80 5.98 24.63 5 1.53 1.98 7.35 12.32

ขนาดพนทรอยเสยหายของชนทดสอบดานหนาและดานหลง ดงแสดงในรปท ง.15 และ ง.16 มคาดงตารางท ง.8 พบวา ต าแหนงกระสนนดทไมทะล คอ นดท 5 มพนทของรอยเสยหายดานหลงนอยทสด รองลงมาเปนนดท 1 และนดท 2 ตามล าดบ และเมอเปรยบเทยบพนทของรอยเสยหายดานหลงของชนทดสอบระหวางนดท 5 กบนดท 1 จะเหนวานดท 1 มพนทมากกวานดท 5 อยประมาณ 55.54 % ส าหรบการเปรยบเทยบพนทของรอยเสยหายดานหลงของชนทดสอบระหวางนดท 5 กบนดท 2 จะเหนวานดท 2 มพนทมากกวานดท 5 อยประมาณ 64.85 % และชนทดสอบสามารถตานทานการยงได 60 % จากจ านวนนดกระสนทยงทงหมด

120

รปท ง.16 รอยเสยหายจากการยงทดานหนาของชนทดสอบ

รปท ง.17 รอยเสยหายจากการยงทดานหลงของชนทดสอบ

2 1

3 4

5

1 2

5

3 4

121

ตารางท ง.9 พบวา ชนทดสอบทงหมดเปนไอโซทรอปกและนดท 3 มความเปนไอโซทรอปกมากทสด สวนนดท 4 มความเปนไอโซทรอปกต าสด แตนดท 4 มคาเปอรเซนตความแตกตางของอตราสวนเสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรองระหวางดานหนาและดานหลง อยประมาณ 15.30 % ซงคาเปอรเซนตความแตกตางนอยกวาต าแหนงอน ตารางท ง.9 เสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรองและอตราสวนเสนผานศนยกลางหลกกบเสนผานศนยกลางรอง (ดานหนา:FS และดานหลง:RS) ชนทดสอบขนาด 12x12 นว

จากตารางท ง.10 เปนขอมล ขนาด น าหนก และความหนาแนนเชงพนท ของชนทดสอบในงานวจยน กบแผนเกราะกนกระสนทจ าหนายในตางประเทศ จากตารางเมอน าคาความหนาแนนเชงพนท (Areal density) ของชนทดสอบทกระสนไมทะลผานมาเปรยบเทยบกบแผนเกราะกนกระสนทมจ าหนายในตางประเทศ ตามมาตราฐาน NIJ ทระดบ 3A โดยชนทดสอบแบบ ENK, AE และ E5 เปนชนทดสอบในงานวจยน สวนแผนกนกระสนแบบ ST, S และ K เปนแผนกนกระสนทจ าหนายในตางประเทศ เมอเปรยบเทยบกน พบวา ชนทดสอบแบบ ENK และ AE มคาความหนาแนนเชงพนทมากกวาชนทดสอบแบบ E5 แตเมอเปรยบเทยบกบแผนกนกระสนทมจ าหนายในตางประเทศ พบวา ชนทดสอบแบบ E5 ทมคาความหนาแนนเชงพนทนอยกวาแผนกนกระสนแบบ ST อย 6.71 % แตชนทดสอบแบบ E5 มคาความหนาแนนเชงพนทมากกวาแผนกนกระสนแบบ S และแบบ K อย 53.96 % และ 75.43 % ตามล าดบ อยางไรกตามชนทดสอบแบบ E5 ทผลตจากเสนใย E- glass สามารถตานทานการยงได 60 % จากจ านวนนดกระสนทใชยงทงหมด จากผลการทดสอบของชนทดสอบแบบ E5 จะน าไปสการพฒนาตอไปในอนาคต โดยจะศกษาในสวนกระบวนการขนรปวสดผสมดวยวธการใหม เพอชวยในการลดน าหนกของชนทดสอบ เนองจากน าหนกของชนทดสอบมคามากเมอเทยบกบเสนใยชนดอนๆ ทใชผลตเปนแผนกนกระสน เชน เสนใย Spectra และเสนใยเคฟลา เปนตน

นดท Fmin (cm) Fmax (cm) Feret ratio

ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง ดานหนา ดานหลง 1 2.60 5.93 3.73 6.82 0.70 0.87 2 1.98 5.60 2.93 6.48 0.68 0.86 3 2.20 5.60 3.02 5.95 0.73 0.94 4 2.15 4.22 3.30 5.48 0.65 0.77 5 2.23 3.40 3.53 3.97 0.63 0.86

122

ตารางท ง.10 ขนาด น าหนก และความหนาแนนเชงพนท ของชนทดสอบในงานวจยน กบแผนเกราะกนกระสนทจ าหนายในตางประเทศ

ทมา : http://www.pinnaclearmor.com/body-armor/plates/ http://www.laruetactical.com/backpack-shield. http://www.specialforces.com/tactical-gear/armor-plate-carriers/s-t-r-i-k-e-cutaway-armor-3a-stv-nij-06-v-i-p-perfrmnc-3d

Type material Size (cm) Weight (kg) Areal density (kg/m2)

ENK E-glass+Nylon+Kevlar

(5 layer) 10.0x10.0 0.36 36.0

AE Alminium+E-glass

(4 layer) 10.0x10.0 0.48 48.0

E5 E-glass (5 layer) 30.5x30.5 2.58 27.8 ST Steel-Trauma 25.4x30.5 2.31 29.8 S Spectra (UHMWPE) 30.5x40.6 1.59 12.8 K Kevlar 43.2x30.5 0.90 6.83

122

ประวตผเขยน

ชอ สกล นายเจษฎาภรณ ชยชนะ รหสประจ าตวนกศกษา 5110120105 วฒการศกษา

วฒ ชอสถาบน ปทส าเรจการศกษา วทยาศาสตรบณฑ มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2550 (ฟสกส) ทนการศกษา (ทไดรบระหวางการศกษา) - ทนอดหนนการวจย บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร ปงบประมาณ 2552 - ทนอดหนนการวจย จากเงนรายไดคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทรประเภท การวจยทวไป ประจ าป 2551 การตพมพเผยแพรผลงาน - เจษฎาภรณ ชยชนะ , เจรญยทธ เดชวายกล , วรยะ ทองเรอง , 2553. “ผลของชนดเสนใยและโครงสรางการทอตอความสามารถตานทานการเจาะทะล ”, การประชมวชาการ ทางวศวกรรมศาสตรมหาวทยาลยสงขลานครนทร ครงท 8, หนา 831-835, สงขลา, ประเทศไทย , 22-23 เมษายน 2553 - เจษฎาภรณ ชยชนะ , เจรญยทธ เดชวายกล , วรยะ ทองเรอง , 2553. “เปรยบเทยบความตานทานการเจาะทะลของวสดผสมเสรมแรงดวยเสนใยทอสามมตแบบออรโธโกนอล ”, การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทย ครงท 24, อบลราชธาน , ประเทศไทย , 20-22 ตลาคม 2553